新功率（新能源汽车功率器件的发展与应用）

　　新功率（新能源汽车功率器件的发展与应用）
　　接下来我分享一下有关新能源汽车功率器件的发展与应用的主题演讲。首先，对于整个新能源汽车市场，既然大家今天坐在这里，说明都非常看好市场。从最近各个新能源汽车公司以及相关供应商的股票来看，涨势都是一飞冲天。从目前资本市场的表现来看，大家已经普遍认可新能源汽车市场到了爆发的拐点，接下来要做的事就是静待开花结果，一同分享胜利果实，这是属于行业的盛宴。
　　新能源汽车行业的蓬勃发展给半导体芯片带来一个非常好的机遇。去年开始，由于疫情的原因，全球的半导体行业有些萎缩，但车规半导体市场在逆势增长，尤其是SiC市场的倍速增长。今年的情况更加突出，现在大家每天都在谈论的事情就是两个：一是涨价，二是缺货。哪家汽车公司因为芯片缺货要停产多少时间或是减产，MCU翻了十倍的价格等等，这些消息比比皆是，但这也确实是半导体人非常好的机遇。令我们很欣慰的是，功率器件在新能源汽车中扮演着非常重要的角色，但今年的缺货居然没有那么严重。这要得益于我司及其他国内半导体同仁们在这个领域深耕多年，所以才为汽车厂商和主机厂提供了更多的选择。
　　在国家最新的《新能源汽车发展规划（20212035）》里，政府对新能源汽车有着非常明确的规划。我这里主要看到的几个点是：一、新能源汽车销量预计于2025年达到20以上，由此可预见年产销量将达到500万以上。我认为，从目前的形势来看最终的数据应该会超过以上提到的数字。另外，在发展规划中也提出了很重要的要求：纯电动乘用车新车平均电耗需降至12。0千瓦时百公里，而电机驱动和电力电子技术也被列为要深化研发布局的三纵三横技术之一。
　　相信大家应该都已经很熟悉，在整个汽车系统里面，使用大量功率器件主要就是电驱，少的起码有一个电驱，多时甚至还有双电驱。此外，电源系统DCDC、升降压、热管理系统等都要用到大量的功率器件。我用这个表格来展示车上功率器件的使用状况。市场上主要存在的插电混动、非常电混动与纯电模式，是现在大力发展的几个技术。
　　在实现这几个技术时，会使用到大量的功率器件，最小的DCDC一般会有几千瓦，至于DCAC电驱100kW是很普遍的，更多的还有200kW甚至300kW，如今匹配发电还有几十千瓦，接下来的发展方向包括快充，快充到40kW是起步，有时甚至会达到更高的80kW、100kW，整个功率算下来一辆车在单电机已有150kW的功率。
　　这个是全球的功率IGBT市场规模，可以看到在整个全球中中国市场占到了大概三分之一的比例，比亚迪半导体在中国车规IGBT占到第二。对于新能源汽车用功率器件，最主要的功能就是直流到交流电的转换，因此汽车最大的输出功率，还有扭矩加速能力等，除了跟电机有关以外，另外一个最大的限制就是功率器件，功率器件可能甚至比电机的限制还大。所以我们基本上认为功率器件决定了汽车加速和最大功率输出率。最大输出功率时功率器件上不一定对应最大输出电流时刻，这个可能跟电机控制是有关系的，一般来说零到百公里急加速时电流是最大的。
　　技术难点上，无论是功率芯片IGBT，还是SiC，芯片技术的工艺要求都比较复杂，可靠性要求高。另外封装技术散热要求远远高于工业的要求。未来新能源汽车的发展希望做到12度电的百公里电耗，这需要芯片上有更低的损耗。同时，希望器件成本越低越好，具备更高集成度、更高工作结温；同样控制器的大小可以输出更大功率、更加可靠，这样才能真正把这个行业给做起来。
　　常用的器件是IGBT，大家看一下IGBT的技术发展趋势。第一个发展方向是芯片往更薄的厚度去整合，比如现在低压的IGBT，650V或750VIGBT的芯片厚度做到了70微米或60微米。如果说能进一步把芯片厚度简薄，每减薄10微米，饱和电压能降低5个毫伏微米，芯片面积可以做到更小，成本可以更低。但相应的会带来一些问题，比如芯片做薄了以后耐压波动，高温漏电可能会增加，关断软度会变差，相关的设计、短路耐量都是挑战。从理论上看IGBT的性能，市场上现在已经做到很好了，虽然离极限还是有一些距离，但个人感觉在此基础上突破已经很困难了，每前进一步都要付出更多的心血。下一步的突破可能要从封装上入手了。
　　IGBT芯片第二个趋势是精细化。在半导体发展的初期划分为两个领域：一个是走精细加工的集成电路领域，一直往更小的尺寸发展下去；另一个是功率器件领域，因为要通过高压大电流，所以尺寸一般比较大。过去人们主要关注器件是否能承受高压大电流，小尺寸并不是非常重要。但随着新的设计理念逐渐深入人心，我们会发现像IGBT、SiC对尺寸加工精细的要求越来越高，加工时会把最新的集成电路的先进技术应用到功率器件中来，也会做一些精细化的工序，这给系统效率的提升带来了非常大的助力。
　　第三个趋势是把IGBT和二极管做一个集成。在这个方面，日系厂家较为领先，国内的供应商暂时还没有看到可以批量的应用的大功率产品的出现，这是接下来国内行业要努力的方向。由于IGBT在使用的时候，总会有一个反并联的二极管，如果能够集成到一起就能够以更小的面积实现更好的性能。另外比单个IGBT芯片的面积有所增加，热阻会变得更低，会得到较低的一个温升，这样的话模块的体积还能再缩30，整个控制器里面的驱动板设计可能就有挑战。
　　第四个趋势是集成化。系统商希望我们研发出的产品集成温度采样和电度采样。一般会在IGBT模块内集成一个NTC的热敏电阻去监控芯片的结温，但NTC的温度采样会有延迟，且和芯片实际结温存在明显的温度差，所以并不能很精确地控制，要考虑很多的冗余。现在有很多产品开始在集成的温度采样有二极管在芯片上，通过检测二极管的VF可以与温度形成线性的关系，因此我们可以很精确并实时测量芯片的结温。此外，引入发射极采样端子，IGBT的电流可分为两个部分，采样部分跟主路的电流成一个比例关系，我们对电阻上的电压进行采样的时候，就能够很精确的监控主电路的电流，甚至在某些领域可以代替电流传感器。
　　这是比亚迪半导体现在的技术路线，2018年发布了第四代IGBT，也是我们目前在比亚迪全系车上大量搭载的一代产品，表现可谓是非常优异。高密度第五代沟槽IGBT也于今年开始量产，在低压车型上开始搭载，测试的效果还不错。比亚迪半导体今年下半年预计发布第六代产品，性能会有更加明显的提升，大家下半年可以期待一下。
　　刚才提到在电驱里IGBT的发展和IGBT芯片发展的趋势，IGBT芯片发展到现在能耗进一步降低已经变得非常困难，接下来人们更看好的是SiC。比亚迪在去年推出的汉EV的车型上已全面搭载SiC模块。如果考虑电源系统比如OBC，比亚迪从一开始做新能源汽车就在使用SiC。电驱系统于去年开始搭载SiC，是全球第二款采用SiC电驱的量产车型。我们的测试结果显示，整个电控效率基本上提升了58，跟IGBT相比百公里功耗大概降低了0。5度电。目前看来SiC的量产还是具备挑战性，还需在经济性上做进一步评估。但给消费者带来的好处是实实在在的，因为消费者驾驶车的续航里程增加了，电耗也降低了，汽车重量也变得更轻了。