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半导体

宽禁带半导体开启新能源汽车新篇章

编者按:以碳化硅、氮化镓为代表的宽禁带半导体材料具有高热导率、高击穿场强、高饱和电子漂移速率等特点,可以极大满足新能源汽车电动化、网联化、智能化发展趋势的要求,对新能源汽车发展具有重要意义。《中国电子报》开设“宽禁带半导体与新能源汽车”专栏,以宽禁带半导体在新能源汽车领域的应用为切入点,全面系统报道宽禁带半导体技术趋势、市场发展现状和产业发展难题等。敬请关注。

我国新能源汽车产销量、保有量连续6年居世界首位,为宽禁带半导体的技术验证和更新迭代提供了大量应用数据样本。记者在采访时了解到,宽禁带半导体能有效提升新能源汽车性能并降低系统性成本,在新能源汽车领域的应用正处于“小步快跑”阶段,未来两年有望迎来市场大爆发,但要实现规模化应用,还需要产业链协同,多个层面发力。

与新能源汽车天然契合

宽禁带半导体材料拥有高频、高功率、耐高温、抗高辐射、光电性能优异等特点,特别适合于制造电力电子、微波射频、光电子等元器件,与新能源汽车所代表的电气化、智能化趋势天然契合。

基本半导体汽车行业总监文宇向《中国电子报》记者指出,碳化硅等宽禁带半导体在新能源汽车的应用空间,可以从以下层面来看。

在传统的新能源汽车也就是纯电动车领域,碳化硅主要用于电机驱动逆变器、OBC(车载充电机)和DC-DC车载电源转换器。其中,用于电机驱动逆变器的功率模块是最主要且增长空间最大的车用碳化硅产品。随着新能源汽车技术的发展,以及氢燃料电池技术的应用,碳化硅的应用区间得到了大幅提升。

在超级快充领域,一般来说,50度电的新能源汽车满充需要2个小时,而超级快充可以在10~15分钟将电充满。在超级快充的过程中,电池包会产生大量的热,而最新的散热技术是基于车载空调的散热系统,这就为采用碳化硅器件的大功率空压机提供了应用空间。此外,氢燃料电池在把气体转化成电能时,空压机对空气进行高速分离的过程中,以及氢燃料的电堆DC—DC在升压过程中,硅器件已无法承担此类系统对于高频高效的需求,从而需要采用碳化硅功率器件来达到效果。

虽然碳化硅器件成本略高于硅基器件,但采用碳化硅器件实现了电池成本的大幅下降和续航里程的提升,从而有效降低了整车成本。数据显示,在新能源汽车使用碳化硅MOSFET的90~350Kw驱动逆变器,碳化硅增加的成本为75~150美元,为电池、空间、冷却系统节省的成本在525~850美元,系统性成本显著下降。

国家新能源汽车技术创新中心总经理原诚寅向《中国电子报》记者指出,碳化硅器件在新能源汽车中的技术价值,体现在能耗优化、动力性能提升和车辆轻量化等指标上。一是宽温区。硅基IGBT的温区一般在125。~150。,碳化硅的工作温度可以达到200。。电机一旦过热就会主动降低功率避免器件损害,因而碳化硅功率器件能维持更长时间的高功率输出。二是更高的能量转化效率。三是更高的集成度。相比硅基,基于碳化硅功率模块的电机控制器能实现30%~40%的减重,以及75%左右的体积缩小。

“使用碳化硅器件,能在乘用车的前机舱让出更多空间,并降低整车重量。这就意味着车辆能耗降低,因为车辆能耗与风阻和重量密切相关。”原诚寅表示。

两年后或迎来市场大爆发

碳化硅在新能源汽车的应用,正处于“小步快跑”与批量化部署的临界点上。Yole数据显示,2019年碳化硅功率器件市场中有2.25亿美元来源于新能源汽车,预计到2025年,碳化硅功率器件在新能源汽车领域的市场规模将达到15.53亿美元,年复合增长率达38%。此外,受益于新能源车充电桩等基础设施快速落地,预计到2025年应用于充电桩的碳化硅市场规模将达到2.25亿美元,年复合增长率达90%。

从应用水平来看,碳化硅在车载电源领域的市场渗透率迅速提升,但在采用MOSFET的电机控制功率模块上,大多数厂商还处于研发和样机测试阶段。不过,“勇开先河”的国内外企业已经出现。特斯拉Tesla推出的Model3,就采用了基于碳化硅MOSFET功率模块的逆变器。比亚迪的“汉”也搭载了碳化硅MOSFET功率控制模块。

北京三安光电有限公司副总经理陈东坡向《中国电子报》表示,碳化硅在OBC上渗透得会快一些,国外不少公司已经在2018年开始将碳化硅肖特基势垒二极管和MOS管用在OBC上;同时,碳化硅MOS管在DC-DC上的应用,也于2018年逐年增加。

“碳化硅在主逆变器上的应用会慢一些,预计到2021年以后才会出现碳化硅MOS管的实质性应用。”陈东坡告诉记者。

文宇也表示,碳化硅在OBC和DC-DC的应用已经相对成熟。而基于碳化硅的电机控制器技术还处于研发阶段,仍需要碳化硅功率模块供应商与整车企业、电机控制器企业协同测试验证,以提升其应用能力。目前来看,国内整车企业搭载碳化硅电机控制器的新车量产时间大多集中在2022-2023年。

“2023年会成为碳化硅在新能源汽车市场的一个爆发点。应用碳化硅模块的车厂会越来越多。目前几乎所有的乘用车企业都把碳化硅电机控制器开发列入到新项目开发的时间表中。从全球市场来看,预估2022-2023年,碳化硅的供应会进入到全面供不应求的阶段。”文宇向记者表示。

规模化应用还需多方发力

2015年-2020年,我国新能源汽车产销量、保有量连续6年居世界首位,为宽禁带半导体的技术验证和更新迭代提供了大量的应用数据样本。国家及地方政策的出台,也为宽禁带半导体等涉及新能源汽车基础技术提升的产业注入动力。但是,要实现宽禁带半导体在新能源汽车领域的规模化应用,还要在技术、市场以及产业链协同等多个层面发力。

在技术层面,碳化硅作为新材料,需要专用的封装工艺技术才能发挥优势,这对于模块企业、电机控制器企业、整车企业而言都是一种挑战。

“如果沿用传统的硅IGBT封装技术来做碳化硅的功率模块,将无法充分发挥碳化硅材料在出流能力、散热能力等方面的优势。这就需要有全新的碳化硅专用封装技术。”文宇说,“另外,在碳化硅功率模块的驱动领域,也面临了新的技术挑战。很多客户都希望碳化硅功率模块企业在交付碳化硅功率模块样品时,能够为每个模块配套专用驱动。”

下游客户的量产需求,也在倒逼碳化硅功率模块企业的业务拓展和技术进步。面对客户的车用碳化硅功率模块需求,基本半导体今年初已在无锡投建汽车级碳化硅功率模块封装线,预计年底通线,2022年6月实现量产。对于客户关切的驱动问题,基本半导体在集团内部与青铜剑技术的驱动团队合作,为其碳化硅功率模块配套相应的驱动产品。

在市场推广方面,陈东坡表示,国内碳化硅器件在新能源汽车领域遇到的挑战和问题主要包括三方面。首先,碳化硅MOSFET产品需要尽快推出,并能大批量制造;其次,产品的可靠性和良品率需要大幅提升;最后,价格需要继续降低。同时,上游的元器件和下游的汽车厂商需要协同,加速推进可靠性上车认证;产业应用生态也应进一步完善。

在产业链协同方面,车用碳化硅和所有国产车规芯片厂商一样,要解决下游客户“不敢用、不好用、不能用”的隐忧。“‘不敢用’是因为国产碳化硅器件没有装车上路的数据。‘不好用’是因为本地配套能力和服务体系欠缺。‘不能用’是因为缺乏对应的标准和评价体系。”原诚寅向记者指出。

要解决这三个“不”,原诚寅认为,首先要在国内形成对车规芯片的认证和评价标准,让客户对国产车规芯片有一个量化的认知。否则车企只能选择国际大厂已经装车搭载的芯片,来规避不确定性带来的风险。其次,要为国产车规芯片的试错、改进、提升提供机制保障。近期,中国汽车芯片产业创新战略联盟举办了汽车芯片保险签约仪式发布活动,开展汽车芯片保险和保费补贴试点工作,以金融保险手段分担产业链上下游风险。最后,产业要形成上下游协同机制,提升本地化配套能力,培养本土供应链。

“国内车用芯片尚未形成完整的供应链体系,缺乏上下游协同的生态。希望下游客户权衡好短期利益和长期利益,将目光放得长远,扶植足够信任的本地下游伙伴成长,形成包含软件、服务、体系的生态,把本土化配套做起来。”原诚寅说。

责任编辑:张心怡


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