編者按：以碳化硅、氮化鎵為代表的寬禁帶半導(dǎo)體材料具有高熱導(dǎo)率、高擊穿場(chǎng)強(qiáng)、高飽和電子漂移速率等特點(diǎn)，可以極大滿足新能源汽車(chē)電動(dòng)化、網(wǎng)聯(lián)化、智能化發(fā)展趨勢(shì)的要求，對(duì)新能源汽車(chē)發(fā)展具有重要意義。《中國(guó)電子報(bào)》開(kāi)設(shè)“寬禁帶半導(dǎo)體與新能源汽車(chē)”專欄，以寬禁帶半導(dǎo)體在新能源汽車(chē)領(lǐng)域的應(yīng)用為切入點(diǎn)，全面系統(tǒng)報(bào)道寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)趨勢(shì)、市場(chǎng)發(fā)展現(xiàn)狀和產(chǎn)業(yè)發(fā)展難題等。敬請(qǐng)關(guān)注。

我國(guó)新能源汽車(chē)產(chǎn)銷量、保有量連續(xù)6年居世界首位，為寬禁帶半導(dǎo)體的技術(shù)驗(yàn)證和更新迭代提供了大量應(yīng)用數(shù)據(jù)樣本。記者在采訪時(shí)了解到，寬禁帶半導(dǎo)體能有效提升新能源汽車(chē)性能并降低系統(tǒng)性成本，在新能源汽車(chē)領(lǐng)域的應(yīng)用正處于“小步快跑”階段，未來(lái)兩年有望迎來(lái)市場(chǎng)大爆發(fā)，但要實(shí)現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用，還需要產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同，多個(gè)層面發(fā)力。

與新能源汽車(chē)天然契合

寬禁帶半導(dǎo)體材料擁有高頻、高功率、耐高溫、抗高輻射、光電性能優(yōu)異等特點(diǎn)，特別適合于制造電力電子、微波射頻、光電子等元器件，與新能源汽車(chē)所代表的電氣化、智能化趨勢(shì)天然契合。

基本半導(dǎo)體汽車(chē)行業(yè)總監(jiān)文宇向《中國(guó)電子報(bào)》記者指出，碳化硅等寬禁帶半導(dǎo)體在新能源汽車(chē)的應(yīng)用空間，可以從以下層面來(lái)看。

在傳統(tǒng)的新能源汽車(chē)也就是純電動(dòng)車(chē)領(lǐng)域，碳化硅主要用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)逆變器、OBC（車(chē)載充電機(jī)）和DC-DC車(chē)載電源轉(zhuǎn)換器。其中，用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)逆變器的功率模塊是最主要且增長(zhǎng)空間最大的車(chē)用碳化硅產(chǎn)品。隨著新能源汽車(chē)技術(shù)的發(fā)展，以及氫燃料電池技術(shù)的應(yīng)用，碳化硅的應(yīng)用區(qū)間得到了大幅提升。

在超級(jí)快充領(lǐng)域，一般來(lái)說(shuō)，50度電的新能源汽車(chē)滿充需要2個(gè)小時(shí)，而超級(jí)快充可以在10～15分鐘將電充滿。在超級(jí)快充的過(guò)程中，電池包會(huì)產(chǎn)生大量的熱，而最新的散熱技術(shù)是基于車(chē)載空調(diào)的散熱系統(tǒng)，這就為采用碳化硅器件的大功率空壓機(jī)提供了應(yīng)用空間。此外，氫燃料電池在把氣體轉(zhuǎn)化成電能時(shí)，空壓機(jī)對(duì)空氣進(jìn)行高速分離的過(guò)程中，以及氫燃料的電堆DC—DC在升壓過(guò)程中，硅器件已無(wú)法承擔(dān)此類系統(tǒng)對(duì)于高頻高效的需求，從而需要采用碳化硅功率器件來(lái)達(dá)到效果。

雖然碳化硅器件成本略高于硅基器件，但采用碳化硅器件實(shí)現(xiàn)了電池成本的大幅下降和續(xù)航里程的提升，從而有效降低了整車(chē)成本。數(shù)據(jù)顯示，在新能源汽車(chē)使用碳化硅MOSFET的90～350Kw驅(qū)動(dòng)逆變器，碳化硅增加的成本為75～150美元，為電池、空間、冷卻系統(tǒng)節(jié)省的成本在525～850美元，系統(tǒng)性成本顯著下降。

國(guó)家新能源汽車(chē)技術(shù)創(chuàng)新中心總經(jīng)理原誠(chéng)寅向《中國(guó)電子報(bào)》記者指出，碳化硅器件在新能源汽車(chē)中的技術(shù)價(jià)值，體現(xiàn)在能耗優(yōu)化、動(dòng)力性能提升和車(chē)輛輕量化等指標(biāo)上。一是寬溫區(qū)。硅基IGBT的溫區(qū)一般在125?！?50。，碳化硅的工作溫度可以達(dá)到200。。電機(jī)一旦過(guò)熱就會(huì)主動(dòng)降低功率避免器件損害，因而碳化硅功率器件能維持更長(zhǎng)時(shí)間的高功率輸出。二是更高的能量轉(zhuǎn)化效率。三是更高的集成度。相比硅基，基于碳化硅功率模塊的電機(jī)控制器能實(shí)現(xiàn)30%～40%的減重，以及75%左右的體積縮小。

“使用碳化硅器件，能在乘用車(chē)的前機(jī)艙讓出更多空間，并降低整車(chē)重量。這就意味著車(chē)輛能耗降低，因?yàn)檐?chē)輛能耗與風(fēng)阻和重量密切相關(guān)?！痹\(chéng)寅表示。

兩年后或迎來(lái)市場(chǎng)大爆發(fā)

碳化硅在新能源汽車(chē)的應(yīng)用，正處于“小步快跑”與批量化部署的臨界點(diǎn)上。Yole數(shù)據(jù)顯示，2019年碳化硅功率器件市場(chǎng)中有2.25億美元來(lái)源于新能源汽車(chē)，預(yù)計(jì)到2025年，碳化硅功率器件在新能源汽車(chē)領(lǐng)域的市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到15.53億美元，年復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)38%。此外，受益于新能源車(chē)充電樁等基礎(chǔ)設(shè)施快速落地，預(yù)計(jì)到2025年應(yīng)用于充電樁的碳化硅市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到2.25億美元，年復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)90%。

從應(yīng)用水平來(lái)看，碳化硅在車(chē)載電源領(lǐng)域的市場(chǎng)滲透率迅速提升，但在采用MOSFET的電機(jī)控制功率模塊上，大多數(shù)廠商還處于研發(fā)和樣機(jī)測(cè)試階段。不過(guò)，“勇開(kāi)先河”的國(guó)內(nèi)外企業(yè)已經(jīng)出現(xiàn)。特斯拉Tesla推出的Model3，就采用了基于碳化硅MOSFET功率模塊的逆變器。比亞迪的“漢”也搭載了碳化硅MOSFET功率控制模塊。

北京三安光電有限公司副總經(jīng)理陳東坡向《中國(guó)電子報(bào)》表示，碳化硅在OBC上滲透得會(huì)快一些，國(guó)外不少公司已經(jīng)在2018年開(kāi)始將碳化硅肖特基勢(shì)壘二極管和MOS管用在OBC上；同時(shí)，碳化硅MOS管在DC-DC上的應(yīng)用，也于2018年逐年增加。

“碳化硅在主逆變器上的應(yīng)用會(huì)慢一些，預(yù)計(jì)到2021年以后才會(huì)出現(xiàn)碳化硅MOS管的實(shí)質(zhì)性應(yīng)用。”陳東坡告訴記者。

文宇也表示，碳化硅在OBC和DC-DC的應(yīng)用已經(jīng)相對(duì)成熟。而基于碳化硅的電機(jī)控制器技術(shù)還處于研發(fā)階段，仍需要碳化硅功率模塊供應(yīng)商與整車(chē)企業(yè)、電機(jī)控制器企業(yè)協(xié)同測(cè)試驗(yàn)證，以提升其應(yīng)用能力。目前來(lái)看，國(guó)內(nèi)整車(chē)企業(yè)搭載碳化硅電機(jī)控制器的新車(chē)量產(chǎn)時(shí)間大多集中在2022-2023年。

“2023年會(huì)成為碳化硅在新能源汽車(chē)市場(chǎng)的一個(gè)爆發(fā)點(diǎn)。應(yīng)用碳化硅模塊的車(chē)廠會(huì)越來(lái)越多。目前幾乎所有的乘用車(chē)企業(yè)都把碳化硅電機(jī)控制器開(kāi)發(fā)列入到新項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的時(shí)間表中。從全球市場(chǎng)來(lái)看，預(yù)估2022-2023年，碳化硅的供應(yīng)會(huì)進(jìn)入到全面供不應(yīng)求的階段?！蔽挠钕蛴浾弑硎?。

規(guī)模化應(yīng)用還需多方發(fā)力

2015年-2020年，我國(guó)新能源汽車(chē)產(chǎn)銷量、保有量連續(xù)6年居世界首位，為寬禁帶半導(dǎo)體的技術(shù)驗(yàn)證和更新迭代提供了大量的應(yīng)用數(shù)據(jù)樣本。國(guó)家及地方政策的出臺(tái)，也為寬禁帶半導(dǎo)體等涉及新能源汽車(chē)基礎(chǔ)技術(shù)提升的產(chǎn)業(yè)注入動(dòng)力。但是，要實(shí)現(xiàn)寬禁帶半導(dǎo)體在新能源汽車(chē)領(lǐng)域的規(guī)?；瘧?yīng)用，還要在技術(shù)、市場(chǎng)以及產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同等多個(gè)層面發(fā)力。

在技術(shù)層面，碳化硅作為新材料，需要專用的封裝工藝技術(shù)才能發(fā)揮優(yōu)勢(shì)，這對(duì)于模塊企業(yè)、電機(jī)控制器企業(yè)、整車(chē)企業(yè)而言都是一種挑戰(zhàn)。

“如果沿用傳統(tǒng)的硅IGBT封裝技術(shù)來(lái)做碳化硅的功率模塊，將無(wú)法充分發(fā)揮碳化硅材料在出流能力、散熱能力等方面的優(yōu)勢(shì)。這就需要有全新的碳化硅專用封裝技術(shù)?！蔽挠钫f(shuō)，“另外，在碳化硅功率模塊的驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域，也面臨了新的技術(shù)挑戰(zhàn)。很多客戶都希望碳化硅功率模塊企業(yè)在交付碳化硅功率模塊樣品時(shí)，能夠?yàn)槊總€(gè)模塊配套專用驅(qū)動(dòng)?！?

下游客戶的量產(chǎn)需求，也在倒逼碳化硅功率模塊企業(yè)的業(yè)務(wù)拓展和技術(shù)進(jìn)步。面對(duì)客戶的車(chē)用碳化硅功率模塊需求，基本半導(dǎo)體今年初已在無(wú)錫投建汽車(chē)級(jí)碳化硅功率模塊封裝線，預(yù)計(jì)年底通線，2022年6月實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。對(duì)于客戶關(guān)切的驅(qū)動(dòng)問(wèn)題，基本半導(dǎo)體在集團(tuán)內(nèi)部與青銅劍技術(shù)的驅(qū)動(dòng)團(tuán)隊(duì)合作，為其碳化硅功率模塊配套相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品。

在市場(chǎng)推廣方面，陳東坡表示，國(guó)內(nèi)碳化硅器件在新能源汽車(chē)領(lǐng)域遇到的挑戰(zhàn)和問(wèn)題主要包括三方面。首先，碳化硅MOSFET產(chǎn)品需要盡快推出，并能大批量制造；其次，產(chǎn)品的可靠性和良品率需要大幅提升；最后，價(jià)格需要繼續(xù)降低。同時(shí)，上游的元器件和下游的汽車(chē)廠商需要協(xié)同，加速推進(jìn)可靠性上車(chē)認(rèn)證；產(chǎn)業(yè)應(yīng)用生態(tài)也應(yīng)進(jìn)一步完善。

在產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同方面，車(chē)用碳化硅和所有國(guó)產(chǎn)車(chē)規(guī)芯片廠商一樣，要解決下游客戶“不敢用、不好用、不能用”的隱憂?！啊桓矣谩且?yàn)閲?guó)產(chǎn)碳化硅器件沒(méi)有裝車(chē)上路的數(shù)據(jù)?！缓糜谩且?yàn)楸镜嘏涮啄芰头?wù)體系欠缺?！荒苡谩且?yàn)槿狈?duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)和評(píng)價(jià)體系。”原誠(chéng)寅向記者指出。

要解決這三個(gè)“不”，原誠(chéng)寅認(rèn)為，首先要在國(guó)內(nèi)形成對(duì)車(chē)規(guī)芯片的認(rèn)證和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，讓客戶對(duì)國(guó)產(chǎn)車(chē)規(guī)芯片有一個(gè)量化的認(rèn)知。否則車(chē)企只能選擇國(guó)際大廠已經(jīng)裝車(chē)搭載的芯片，來(lái)規(guī)避不確定性帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)。其次，要為國(guó)產(chǎn)車(chē)規(guī)芯片的試錯(cuò)、改進(jìn)、提升提供機(jī)制保障。近期，中國(guó)汽車(chē)芯片產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟舉辦了汽車(chē)芯片保險(xiǎn)簽約儀式發(fā)布活動(dòng)，開(kāi)展汽車(chē)芯片保險(xiǎn)和保費(fèi)補(bǔ)貼試點(diǎn)工作，以金融保險(xiǎn)手段分擔(dān)產(chǎn)業(yè)鏈上下游風(fēng)險(xiǎn)。最后，產(chǎn)業(yè)要形成上下游協(xié)同機(jī)制，提升本地化配套能力，培養(yǎng)本土供應(yīng)鏈。

“國(guó)內(nèi)車(chē)用芯片尚未形成完整的供應(yīng)鏈體系，缺乏上下游協(xié)同的生態(tài)。希望下游客戶權(quán)衡好短期利益和長(zhǎng)期利益，將目光放得長(zhǎng)遠(yuǎn)，扶植足夠信任的本地下游伙伴成長(zhǎng)，形成包含軟件、服務(wù)、體系的生態(tài)，把本土化配套做起來(lái)?！痹\(chéng)寅說(shuō)。

來(lái)源：科技料