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    新能源汽車需求強(qiáng)勁第三代半導(dǎo)體迎來發(fā)展窗口期

    2020-01-13 05:14:20趙晨
    中國電子報 2020年90期
    關(guān)鍵詞:耐高溫碳化硅功率密度

    趙晨

    全球新能源汽車市場

    持續(xù)升溫

    預(yù)計2035年純電動汽車將成為新銷售車輛主流,公共領(lǐng)域用車將實現(xiàn)全面電動化.

    近日,國務(wù)院辦公廳印發(fā)《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2021-2035年)》(以下簡稱《規(guī)劃》)?!澳壳爸袊履茉雌嚳偙S辛繛槿虻谝?,動力電池出貨量也是壘球第一?!痹谥袊嚬I(yè)協(xié)會副秘書長許艷華看來,中國會盡力保持目前在電動汽車領(lǐng)域形成的領(lǐng)先優(yōu)勢。

    許艷華表示,目前我國新能源汽車新車銷售量占比為5%左右,從《規(guī)劃》來看,2025年新能源汽車新車銷售量占比將達(dá)到20%。預(yù)計2035年純電動汽車將成為新銷售車輛主流,公共領(lǐng)域用車將實現(xiàn)全面電動化,屆時我國的新能源汽車保有量將超過1億輛。

    在中國新能源汽車產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的同時,世界各國也在加大力度奮起直追?!拔覈履茉雌嚠a(chǎn)業(yè)規(guī)模連續(xù)5年居全球首位,2019年中國新能源汽車銷量占全球市場銷量的53%?!逼嚱逃抗こ萄芯恐行氖紫茖W(xué)家、哈爾濱理工大學(xué)教授蔡蔚表示,“但是從今年1-7月份的數(shù)據(jù)來看,這一占比已經(jīng)大幅下降至39%。這是因為今年以來,德國、法國、英國等歐洲國家的新能源汽車銷量保持著70%以上的同比增幅。”

    綜觀全球,汽車的電動化趨勢已經(jīng)不可逆轉(zhuǎn)。許艷華表示,在歐洲,嚴(yán)苛的碳排放法規(guī)正推動歐洲汽車業(yè)加快電動化腳步。在政策支持力度加大與產(chǎn)業(yè)化布局加快的背景下,歐洲電動汽車銷量顯著增加,正在快速縮小和中國市場的銷量差距。

    許艷華進(jìn)一步指出,在奧巴馬時代,美國電動汽車曾引領(lǐng)全球發(fā)展。拜登執(zhí)政后,美國大概率會重返《巴黎協(xié)定》,因此大力發(fā)展新能源汽車以減少碳排放量,將成為拜登執(zhí)政期間與美國后疫情時代振興經(jīng)濟(jì)的重要舉措。

    碳化硅是新能源汽車能效

    提升的關(guān)鍵要素

    碳化硅屬于第三代寬禁帶半導(dǎo)體的一種,具有高飽和電子速度、高導(dǎo)熱率、高電子密度、高遷移率等特點。

    電驅(qū)動系統(tǒng)可以說是新能源汽車的“心臟”。在蔡蔚看來,電驅(qū)動核心零部件強(qiáng),新能源汽車產(chǎn)業(yè)則強(qiáng);功率半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈強(qiáng),電機(jī)控制器則更有競爭力。

    蔡蔚指出,碳化硅功率半導(dǎo)體屬于第三代寬禁帶半導(dǎo)體的一種,具有高飽和電子速度、高導(dǎo)熱率、高電子密度、高遷移率等特點。碳化硅器件具備的耐高溫、高效、高頻特性,正是推動電機(jī)控制器功率密度和效率進(jìn)一步提升的關(guān)鍵要素。

    “利用好碳化硅器件的耐高溫、高頻和高效特性,是實現(xiàn)新能源汽車電機(jī)控制器功率密度和效率提升的重要途徑?!敝锌圃弘姽ぱ芯克魅窝芯繂T溫旭輝的觀點與蔡蔚不謀而合。

    小鵬汽車動力總成中心IPU硬件高級專家陳宏認(rèn)為,碳化硅技術(shù)的應(yīng)用與整車?yán)m(xù)航里程的提升有著緊密的聯(lián)系。他表示,功率半導(dǎo)體在新能源汽車中的應(yīng)用十分廣泛,應(yīng)用領(lǐng)域包括車載充電機(jī)、空調(diào)、逆變器、直流直流轉(zhuǎn)換器及附屬電氣設(shè)備等。相比硅基IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)功率半導(dǎo)體,第三代半導(dǎo)體碳化硅MOSFET(金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管)具有耐高溫、低功耗及耐高壓等特點。采用碳化硅技術(shù)后,電機(jī)逆變器效率能夠提升約4%,整車?yán)m(xù)航里程將增加約7%。

    江蘇宏微科技股份有限公司董事長趙善麟則將新能源汽車稱為“第三代半導(dǎo)體的最佳應(yīng)用場景”。在他看來,新能源汽車有望把第三代半導(dǎo)體的性能發(fā)揮到極致。

    第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈

    吹響集結(jié)號

    國內(nèi)碳化硅自主芯片和自主材料正處于發(fā)展階段,但仍與國外先進(jìn)技術(shù)和產(chǎn)品有明顯差距。

    經(jīng)過多年的發(fā)展,我國在新能源汽車的驅(qū)動電機(jī)領(lǐng)域取得了長足進(jìn)步。據(jù)蔡蔚介紹,從國內(nèi)外硅基IGBT功率半導(dǎo)體控制器的各項關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)來看,國內(nèi)產(chǎn)品在功率密度、效率等方面與國際同類產(chǎn)品水平相當(dāng)。2019年,我國90%以上的新能源汽車采用了自主驅(qū)動電機(jī),并實現(xiàn)了批量出口。

    然而,在車用功率半導(dǎo)體這一第三代半導(dǎo)體新賽道上,目前我國還處于下風(fēng)。蔡蔚表示,若想用好碳化硅,國內(nèi)還需要面臨一系列技術(shù)上的挑戰(zhàn)。比如,要想發(fā)揮其耐高溫優(yōu)勢,就需要采用高結(jié)溫模塊設(shè)計,這種設(shè)計方式則要求使用耐高溫、具備高可靠性的封裝材料。

    他指出,國內(nèi)碳化硅自主芯片和自主材料正處于發(fā)展階段,但仍與國外先進(jìn)技術(shù)和產(chǎn)品有明顯差距。目前,中科院電工所、中車、上海電驅(qū)動公司等國內(nèi)單位正致力于碳化硅控制器的研發(fā),并取得了可喜進(jìn)展。但遺憾的是,目前量產(chǎn)的搭載碳化硅技術(shù)的新能源汽車中,尚未看到國內(nèi)產(chǎn)品的身影。

    陳宏表示,雖然第三代功率半導(dǎo)體有諸多優(yōu)點,但在國內(nèi)市場與技術(shù)發(fā)展等方面也面臨諸多挑戰(zhàn),如器件成本高、良率低、高頻信號干擾比硅基IGBT大、制造與封裝難度大等。碳化硅半導(dǎo)體技術(shù)對功率模塊的封裝要求更高,因此該技術(shù)正朝著耐高溫、高功率密度、低雜散電感、高可靠性封裝路線發(fā)展。

    溫旭輝也表示,雖然車用碳化硅控制器功率密度大幅提升、損耗明顯下降,但快速開關(guān)帶來的電磁干擾問題同樣突出,因此寬頻域電磁干擾預(yù)測及高密度電磁干擾濾波是今后的行業(yè)研究重點之一。

    “碳化硅器件的價格目前還很高?!鄙虾k婒?qū)動股份有限公司副總經(jīng)理張舟云表示,“但隨著碳化硅產(chǎn)品在特斯拉Model 3和比亞迪‘漢上的批量應(yīng)用,其后續(xù)應(yīng)用進(jìn)程肯定會加快。2-3年后,我們會在市場上看到越來越多應(yīng)用碳化硅產(chǎn)品的新能源汽車?!?/p>

    新能源汽車和第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)共生共贏。蔡蔚呼吁,第三代功率半導(dǎo)體材料、芯片和封裝方面的供應(yīng)商需要緊急行動起來,盡快把開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化水平提升上去,以提高下一代國產(chǎn)功率半導(dǎo)體的全球競爭力。

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