“沒有功率半導體，就不會有混合動力車或者電動汽車，”博世這般認為。

電動汽車的發(fā)展對驅動系統(tǒng)已經(jīng)提出了更高的要求，比如小型化（方便多電機布置，甚至安裝在車輪內），更高效（提高百公里能耗，節(jié)省電能，增加續(xù)航里程）。它急切需要功率半導體的協(xié)助，尤其是大功率、耐高壓的功率半導體。

僅看2019年，已有多家零部件供應商發(fā)布了開發(fā)、量產SiC電驅動系統(tǒng)的計劃，例如國外的博世、德爾福、采埃孚，國內的比亞迪。

博世、采埃孚、德爾福、比亞迪的碳化硅逆變器

博世將于2020年開始在德國生產特別用于電動汽車的下一代節(jié)能芯片。其羅伊特林根150毫米晶圓廠將提交第一批樣品給潛在客戶，并在三年內找尋到量產的路徑。

博世碳化硅芯片

博世133年歷史上最大的一筆投資，再次強調出碳化硅（SiC）這一半導體材料在汽車行業(yè)的重要性。上一次引發(fā)碳化硅討論熱潮的是大眾與科銳、英飛凌的戰(zhàn)略合作。

碳化硅，即是博世下一代芯片所使用的半導體材料。通過使用這類材料，博世意在生產出能夠承受高溫、高壓的芯片，應用于旗下e-Axle電驅動系統(tǒng)中。甚至考慮到需求將足夠高，博世可能無法自給自足，必須從外部采購更多的碳化硅芯片。

當電控采用碳化硅芯片后，它將在電能轉換和控制過程中減少50%的熱損耗。這將直接提高功率電子器件的能效，為電機提供更多動力，從而提升電池的續(xù)航里程。單次充電后的電動汽車續(xù)航里程可在現(xiàn)有基礎上再提升6%。

德國，汽車的發(fā)源地，誕生出大眾、寶馬、奔馳、博世等OEM和Tier1巨頭。它的電氣化或許在前期進展的比較遲緩，但在汽車電子領域卻一直在發(fā)力。全球汽車半導體供應商TOP10中，博世和英飛凌均榜上有名。

總部同位于德國的采埃孚與美國碳化硅半導體企業(yè)科銳宣布建立戰(zhàn)略合作關系，計劃2022年前將SiC電驅動系統(tǒng)推向市場。

今年4月份，采埃孚首次采用SiC技術的電驅動系統(tǒng)已經(jīng)用于法國文圖瑞Venturi的電動賽車。SiC電驅動系統(tǒng)具備更高的能量轉換效率。采埃孚的目標不止在于電動賽車，它計劃3-4年內將SiC電驅動系統(tǒng)批量應用于乘用車中。

美國汽車供應商，例如德爾福，在9月份宣布計劃在下個十年初期推出基于SiC芯片的逆變器。它認為，800V 碳化硅逆變器“下一代高效電動和混合動力汽車的核心部件之一”。它已與一家跨國OEM達成八年共27億美元的項目。該項目預計將于2022年開始落實，最初推出的將是以800V電壓運行的高性能電動汽車。

國內基于碳化硅材料的芯片研發(fā)和生產進展同樣是關注的重點。尤其是當下國內正盡力避免高端芯片卡脖子，而孜孜不倦地自研芯片。

比亞迪SiC晶圓

SiC基功率器件方面，比亞迪在2017年研制出SiC MOS晶圓以及雙面水冷模塊，并于2018年將之批量應用于DC/DC、OBC中，有望于2019年推出搭載SiC電控的電動車。預計到2023年，比亞迪將在旗下的電動車中，實現(xiàn)SiC基車用功率半導體對硅基IGBT的全面替代，將整車性能再提升5%以上。

IGBT、碳化硅與電動汽車

NE時代調研后發(fā)現(xiàn)，電控模塊目前情況下以硅基IGBT為主，冷卻技術以單面水冷為主。但它將向混合碳化硅過渡，冷卻技術將從單面水冷轉向為雙面水冷。

無論Si基IGBT還是SiC基MOSFET，它們的主要作用在于導通和關斷，控制驅動系統(tǒng)直、交流電的轉換。

當下IGBT在電驅動系統(tǒng)中已經(jīng)得到廣泛的應用。公開資料顯示，電壓在600-1200V的IGBT需求量最大，占市場份額68.2%，主要應用于電動汽車。

但電動汽車到目前為止處于剛剛起步的階段，普及的速度和廣度都還有限。這也就意味著，它的未來還有無限的發(fā)展空間。至少現(xiàn)在車企已經(jīng)在開發(fā)800V電壓的整車，同時提高驅動效率，實現(xiàn)電驅動系統(tǒng)的小型化和集成化。這時，IGBT還能勝任嗎？

正如硅基IGBT將硅基MOSFET拍在沙灘上，SiC基的MOSFET將是另一個“后浪”。它具備高頻率、低損耗的特性，是電驅動系統(tǒng)在高溫、高壓下保持高速、穩(wěn)定運行的關鍵。

以博世、采埃孚、德爾福和比亞迪這四家為例，其碳化硅基芯片的應用重點均集中于電控模塊，批量應用時間點起始于2022年或2023年。

電控模塊所用功率器件的進化，直接關系到電動汽車的整車性能。比亞迪在混動和純電動上對SiC和Si的性能進行測算，結果顯示，SiC后電機控制器的損耗下降5%，電驅動系統(tǒng)整體NEDC平均效率提升3.6%，整車NEDC續(xù)航提升30KM，里程增幅在5.8%。

如果車企不考慮從電驅動系統(tǒng)的高效率入手，而依賴于電池，那么它必須承擔大如100KWh電池的高昂成本，才可以將續(xù)航里程提升6%。這對于車輛的空間、冷卻系統(tǒng)、電池管理系統(tǒng)都是一個沉重的負擔。

固然，碳化硅芯片相較現(xiàn)一代IGBT芯片增加的費用將使制造商付出巨大的代價，但它意義重大，關系到電動汽車的未來發(fā)展。

價格是決定SiC何時在新能源電機控制器上批量使用的關鍵因素。出于成本的限制，它只能先在高端車中進行配置。碳化硅器件可以承受更高的溫度，因此可以減少對復雜冷卻回路的需求，并且?guī)椭嵘m(xù)航里程，減小電池尺寸。最終整體成本的削減在一定程度上抵消碳化硅的成本。

時間和規(guī)模會降低它的成本，讓中低端車開始受益。比亞迪第十四事業(yè)部電控工廠廠長楊廣明曾指出，續(xù)航里程500公里以上的高端SUV車和高端轎車可能會在2021年會開始應用SiC，小型SUV和中型轎車可能在2024年會開始應用一部分SiC，低端車可能會在2025年之后。

比亞迪也已預見到，當下的IGBT也將逼近硅材料的性能極限。尋求更低芯片損耗、更強電流輸出能力、更耐高溫的全新半導體材料，已成為電驅動供應商的主要任務。

據(jù)悉，比亞迪已投入巨資布局第三代半導體材料SiC，并將整合材料（高純碳化硅粉）、單晶、外延、芯片、封裝等SiC基半導體全產業(yè)鏈，致力于降低SiC器件的制造成本，加快其在電動車領域的應用。

返回第一電動網(wǎng)首頁 >