第三代半導體(tǐ)開(kāi)啓新能源汽車(chē)新篇章

以碳化矽、氮化镓爲代表的寬禁帶半導體(tǐ)材料具有高熱導率、高擊穿場強、高飽和電(diàn)子漂移速率等特點，可以極大(dà)滿足新能源汽車(chē)電(diàn)動化、網聯化、智能化發展趨勢的要求，對新能源汽車(chē)發展具有重要意義。《中(zhōng)國電(diàn)子報》開(kāi)設“寬禁帶半導體(tǐ)與新能源汽車(chē)”專欄，以寬禁帶半導體(tǐ)在新能源汽車(chē)領域的應用爲切入點，全面系統報道寬禁帶半導體(tǐ)技術趨勢、市場發展現狀和産業發展難題等。敬請關注。

我(wǒ)國新能源汽車(chē)産銷量、保有量連續6年居世界首位，爲寬禁帶半導體(tǐ)的技術驗證和更新叠代提供了大(dà)量應用數據樣本。記者在采訪時了解到，寬禁帶半導體(tǐ)能有效提升新能源汽車(chē)性能并降低系統性成本，在新能源汽車(chē)領域的應用正處于“小(xiǎo)步快跑”階段，未來兩年有望迎來市場大(dà)爆發，但要實現規模化應用，還需要産業鏈協同，多個層面發力。

寬禁帶半導體(tǐ)材料擁有高頻(pín)、高功率、耐高溫、抗高輻射、光電(diàn)性能優異等特點，特别适合于制造電(diàn)力電(diàn)子、微波射頻(pín)、光電(diàn)子等元器件，與新能源汽車(chē)所代表的電(diàn)氣化、智能化趨勢天然契合。

基本半導體(tǐ)汽車(chē)行業總監文宇向《中(zhōng)國電(diàn)子報》記者指出，碳化矽等寬禁帶半導體(tǐ)在新能源汽車(chē)的應用空間，可以從以下(xià)層面來看。

在傳統的新能源汽車(chē)也就是純電(diàn)動車(chē)領域，碳化矽主要用于電(diàn)機驅動逆變器、OBC（車(chē)載充電(diàn)機）和DC-DC車(chē)載電(diàn)源轉換器。其中(zhōng)，用于電(diàn)機驅動逆變器的功率模塊是最主要且增長空間最大(dà)的車(chē)用碳化矽産品。随着新能源汽車(chē)技術的發展，以及氫燃料電(diàn)池技術的應用，碳化矽的應用區間得到了大(dà)幅提升。

在超級快充領域，一(yī)般來說，50度電(diàn)的新能源汽車(chē)滿充需要2個小(xiǎo)時，而超級快充可以在10～15分(fēn)鍾将電(diàn)充滿。在超級快充的過程中(zhōng)，電(diàn)池包會産生(shēng)大(dà)量的熱，而最新的散熱技術是基于車(chē)載空調的散熱系統，這就爲采用碳化矽器件的大(dà)功率空壓機提供了應用空間。此外(wài)，氫燃料電(diàn)池在把氣體(tǐ)轉化成電(diàn)能時，空壓機對空氣進行高速分(fēn)離(lí)的過程中(zhōng)，以及氫燃料的電(diàn)堆DC—DC在升壓過程中(zhōng)，矽器件已無法承擔此類系統對于高頻(pín)高效的需求，從而需要采用碳化矽功率器件來達到效果。

雖然碳化矽器件成本略高于矽基器件，但采用碳化矽器件實現了電(diàn)池成本的大(dà)幅下(xià)降和續航裏程的提升，從而有效降低了整車(chē)成本。數據顯示，在新能源汽車(chē)使用碳化矽MOSFET的90～350Kw驅動逆變器，碳化矽增加的成本爲75～150美元，爲電(diàn)池、空間、冷卻系統節省的成本在525～850美元，系統性成本顯著下(xià)降。

國家新能源汽車(chē)技術創新中(zhōng)心總經理原誠寅向《中(zhōng)國電(diàn)子報》記者指出，碳化矽器件在新能源汽車(chē)中(zhōng)的技術價值，體(tǐ)現在能耗優化、動力性能提升和車(chē)輛輕量化等指标上。一(yī)是寬溫區。矽基IGBT的溫區一(yī)般在125。～150。，碳化矽的工(gōng)作溫度可以達到200。。電(diàn)機一(yī)旦過熱就會主動降低功率避免器件損害，因而碳化矽功率器件能維持更長時間的高功率輸出。二是更高的能量轉化效率。三是更高的集成度。相比矽基，基于碳化矽功率模塊的電(diàn)機控制器能實現30%～40%的減重，以及75%左右的體(tǐ)積縮小(xiǎo)。

“使用碳化矽器件，能在乘用車(chē)的前機艙讓出更多空間，并降低整車(chē)重量。這就意味着車(chē)輛能耗降低，因爲車(chē)輛能耗與風阻和重量密切相關。”原誠寅表示。

碳化矽在新能源汽車(chē)的應用，正處于“小(xiǎo)步快跑”與批量化部署的臨界點上。Yole數據顯示，2019年碳化矽功率器件市場中(zhōng)有2.25億美元來源于新能源汽車(chē)，預計到2025年，碳化矽功率器件在新能源汽車(chē)領域的市場規模将達到15.53億美元，年複合增長率達38%。此外(wài)，受益于新能源車(chē)充電(diàn)樁等基礎設施快速落地，預計到2025年應用于充電(diàn)樁的碳化矽市場規模将達到2.25億美元，年複合增長率達90%。

從應用水平來看，碳化矽在車(chē)載電(diàn)源領域的市場滲透率迅速提升，但在采用MOSFET的電(diàn)機控制功率模塊上，大(dà)多數廠商(shāng)還處于研發和樣機測試階段。不過，“勇開(kāi)先河”的國内外(wài)企業已經出現。特斯拉Tesla推出的Model3，就采用了基于碳化矽MOSFET功率模塊的逆變器。比亞迪的“漢”也搭載了碳化矽MOSFET功率控制模塊。

北(běi)京三安光電(diàn)有限公司副總經理陳東坡向《中(zhōng)國電(diàn)子報》表示，碳化矽在OBC上滲透得會快一(yī)些，國外(wài)不少公司已經在2018年開(kāi)始将碳化矽肖特基勢壘二極管和MOS管用在OBC上；同時，碳化矽MOS管在DC-DC上的應用，也于2018年逐年增加。

“碳化矽在主逆變器上的應用會慢(màn)一(yī)些，預計到2021年以後才會出現碳化矽MOS管的實質性應用。”陳東坡告訴記者。

文宇也表示，碳化矽在OBC和DC-DC的應用已經相對成熟。而基于碳化矽的電(diàn)機控制器技術還處于研發階段，仍需要碳化矽功率模塊供應商(shāng)與整車(chē)企業、電(diàn)機控制器企業協同測試驗證，以提升其應用能力。目前來看，國内整車(chē)企業搭載碳化矽電(diàn)機控制器的新車(chē)量産時間大(dà)多集中(zhōng)在2022-2023年。

“2023年會成爲碳化矽在新能源汽車(chē)市場的一(yī)個爆發點。應用碳化矽模塊的車(chē)廠會越來越多。目前幾乎所有的乘用車(chē)企業都把碳化矽電(diàn)機控制器開(kāi)發列入到新項目開(kāi)發的時間表中(zhōng)。從全球市場來看，預估2022-2023年，碳化矽的供應會進入到全面供不應求的階段。”文宇向記者表示。

2015年-2020年，我(wǒ)國新能源汽車(chē)産銷量、保有量連續6年居世界首位，爲寬禁帶半導體(tǐ)的技術驗證和更新叠代提供了大(dà)量的應用數據樣本。國家及地方政策的出台，也爲寬禁帶半導體(tǐ)等涉及新能源汽車(chē)基礎技術提升的産業注入動力。但是，要實現寬禁帶半導體(tǐ)在新能源汽車(chē)領域的規模化應用，還要在技術、市場以及産業鏈協同等多個層面發力。

在技術層面，碳化矽作爲新材料，需要專用的封裝工(gōng)藝技術才能發揮優勢，這對于模塊企業、電(diàn)機控制器企業、整車(chē)企業而言都是一(yī)種挑戰。

“如果沿用傳統的矽IGBT封裝技術來做碳化矽的功率模塊，将無法充分(fēn)發揮碳化矽材料在出流能力、散熱能力等方面的優勢。這就需要有全新的碳化矽專用封裝技術。”文宇說，“另外(wài)，在碳化矽功率模塊的驅動領域，也面臨了新的技術挑戰。很多客戶都希望碳化矽功率模塊企業在交付碳化矽功率模塊樣品時，能夠爲每個模塊配套專用驅動。”

下(xià)遊客戶的量産需求，也在倒逼碳化矽功率模塊企業的業務拓展和技術進步。面對客戶的車(chē)用碳化矽功率模塊需求，基本半導體(tǐ)今年初已在無錫投建汽車(chē)級碳化矽功率模塊封裝線，預計年底通線，2022年6月實現量産。對于客戶關切的驅動問題，基本半導體(tǐ)在集團内部與青銅劍技術的驅動團隊合作，爲其碳化矽功率模塊配套相應的驅動産品。

在市場推廣方面，陳東坡表示，國内碳化矽器件在新能源汽車(chē)領域遇到的挑戰和問題主要包括三方面。首先，碳化矽MOSFET産品需要盡快推出，并能大(dà)批量制造；其次，産品的可靠性和良品率需要大(dà)幅提升；最後，價格需要繼續降低。同時，上遊的元器件和下(xià)遊的汽車(chē)廠商(shāng)需要協同，加速推進可靠性上車(chē)認證；産業應用生(shēng)态也應進一(yī)步完善。

在産業鏈協同方面，車(chē)用碳化矽和所有國産車(chē)規芯片廠商(shāng)一(yī)樣，要解決下(xià)遊客戶“不敢用、不好用、不能用”的隐憂。“‘不敢用’是因爲國産碳化矽器件沒有裝車(chē)上路的數據。‘不好用’是因爲本地配套能力和服務體(tǐ)系欠缺。‘不能用’是因爲缺乏對應的标準和評價體(tǐ)系。”原誠寅向記者指出。

要解決這三個“不”，原誠寅認爲，首先要在國内形成對車(chē)規芯片的認證和評價标準，讓客戶對國産車(chē)規芯片有一(yī)個量化的認知(zhī)。否則車(chē)企隻能選擇國際大(dà)廠已經裝車(chē)搭載的芯片，來規避不确定性帶來的風險。其次，要爲國産車(chē)規芯片的試錯、改進、提升提供機制保障。近期，中(zhōng)國汽車(chē)芯片産業創新戰略聯盟舉辦了汽車(chē)芯片保險簽約儀式發布活動，開(kāi)展汽車(chē)芯片保險和保費(fèi)補貼試點工(gōng)作，以金融保險手段分(fēn)擔産業鏈上下(xià)遊風險。最後，産業要形成上下(xià)遊協同機制，提升本地化配套能力，培養本土供應鏈。

“國内車(chē)用芯片尚未形成完整的供應鏈體(tǐ)系，缺乏上下(xià)遊協同的生(shēng)态。希望下(xià)遊客戶權衡好短期利益和長期利益，将目光放(fàng)得長遠，扶植足夠信任的本地下(xià)遊夥伴成長，形成包含軟件、服務、體(tǐ)系的生(shēng)态，把本土化配套做起來。”原誠寅說。