新能源汽车大发展,功率器件迎发展拐点

新能源汽车大发展,功率器件迎发展拐点

新能源汽车在全球范围内已进入快速发展期,不仅全球主要车企将新能源汽车作为了重要战略,加大了布局和投入,不少造车新势力也大批量进入了新能源汽车领域,比如蔚来、小鹏、威马、拜腾、奇点等等。这些造车新势力们现在大部分都进入了关键窗口期,即试车投产阶段。那如何才能在这场拼技术、拼速度的比赛里快速拿下一城呢?电池、电机和电控这电动汽车里的三大核心技术,无疑是重点关注对象。

在能源汽车中,电池目前没有很大的突破;电控中的整车控制器(VCU)、电机控制器(MCU)和电池管理系统,以及电机效率都缺乏提升空间,而最有提升空间的当属电机驱动部分,而电机驱动部分最核心的元件是IGBT。目前,IGBT约占电机驱动系统成本的一半,而电机驱动系统占整车成本的15%~20%,也就是说IGBT占整车成本的7%~10%。因此,IGBT可以说是新能源汽车中,除电池之外成本第二高的元件,并且它决定了整车的能源效率。为了获得更高的耐压,更大的电流和更高的可靠性,通常会将多个IGBT器件级联成模块来使用。

 

 

1:半导体厂商在汽车电子领域的排名。

 

根据英飞凌(Infineon6月份在德意志银行召开的汽车技术日上展示的数据,整体汽车电子市场中,恩智浦(NXP)排名榜首,英飞凌紧随其后,瑞萨排名第三。而具体到功率器件部分,英飞凌以26%的市占率高居首。

 

节能减排,促使功率器件需求旺盛

有减排的压力,不少国家都加入了禁售燃油车的队伍。自从20158月,美国加州提出可能在2030年禁止传统燃油车上市销售后;2016年时,荷兰和挪威宣布了在2025年禁止在境内销售燃油车;德国也宣布自2030年起在境内全面停止使用以汽油和柴油为燃料的汽车;在2017年时,印度和法国加入了禁售燃油车的队伍,他们均表示将在2030年禁售燃油车;而英国政府也宣布将于2040年起全面禁售燃油车。此外,中国也十分有可能加入禁售燃油车国家的队伍。

 

禁售燃油车,这让汽车厂商不得不转向其他动力车型研究和生产,比如电动汽车。这就必然加大功率器件的需求。因此,半导体厂商也加强了这方面的布局。

 

比如,在今年3月份,英飞凌联手上汽集团在中国成立了合资企业为电动汽车市场制造功率模块,合资公司命名为“上汽英飞凌汽车功率半导体(上海)有限公司”,总部设在上海,生产基地位于英飞凌无锡工厂扩建项目内,计划在2018年下半年开始批量生产。

 

在今年5月份,英飞凌还投资了16亿欧元在奥地利菲拉赫现有生产基地附近,新建一座全自动化的300毫米芯片工厂。预计2019年上半年开工,2021年初投入运营。英飞凌首席执行官Reinhard Ploss博士曾表示,投资建设该工厂的主要目的,就是为了应对全球对功率半导体的需求急剧增长。

 

此外,连三菱电机这个主要关注高铁等电动机车领域内IGBT的厂商,也开始涉足汽车用IGBT产品。连续推出了针对汽车市场的通用型IGBT模块解决方案:J系列和J1A系列产品。并表示,为了满足中国和欧美电动汽车市场的增长需求,三菱电机已经将扩产计划提上了日程。

 

电动汽车的未来或取决于宽禁带技术发展

许多人都认为电动汽车的未来,取决于宽禁带(WBG)技术的发展。因为碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)等宽禁带材料可极大地提高功率转换效率,具有更高的工作频率和更高的使用环境温度。

 

更宽的禁带使得,碳化硅和氮化镓等材料能够承受比硅高得多的电压和温度,这使得在高电压和高频率工作条件下,元件具有更高的耐用性和可靠性,从而可以以更低功耗实现更高性能。

 

在电动汽车中使用宽禁带技术的优势是显而易见的。最明显的优势是,提高能源效率可降低电池组成本,缩短充电时间,并延长续航里程。

 

 

2:英飞凌在宽禁带技术领域的产品路线图。

 

英飞凌强调了其在SiC领域的持续投资,包括2019CoolSiC汽车级MOSFET将会Design-in,产能即将爬坡。2020HybridPACK CoolSiC转换器将会量产。据说,目前已经有超过20OEMTier-1客户在评估英飞凌的车用SiC方案了。

 

虽然宽禁带技术很好,但在商业化方面还面临诸多问题。首当其冲的就是其居高不下的价格,其价格是传统SiIGBT7倍;其次是电磁干扰,SiC的开关频率远高于传统SiIGBT,电路回路寄生参数已经大到无法忽略,需要额外注意EMI问题。此外,SiC的产能也非常有限。

 

而为了获得更好的SiC晶圆,英飞凌在今年2月份与科锐公司签署了一份SiC晶圆长期供货战略协议。英飞凌由此能够拓展其SiC产品范畴,满足光伏逆变器和电动汽车等快速增长市场的需求,但 由于英飞凌已将其所有SiC晶圆生产线转换成为150mm生产线,与科锐公司签署的这份协议仅仅涉及这个尺寸的晶圆。

 

其实,除了英飞凌,三菱电机、安森美、ABBST、以及东芝等公司也都在宽禁带技术产品上投入了资源进行研发。不过IGBT鼻祖巴利伽教授曾在2017年的一次论坛中表示,“随着人们在新材料领域探索的加快,SiC以及GaN等宽禁带半导体材料更是半导体材料未来的发展方向。但SiC需要投入大量经费和研发资金来解决材料问题和完善半导体制造技术。”他预计SiC的大规模商业化可能需要25年的时间。不知道这个时间电动汽车制造厂们等不等得起。