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新能源汽車功率器件的發展與應用 新功率

功率新能源器件


新功率（新能源汽車功率器件的發展與應用）
接下來我分享一下有關“新能源汽車功率器件的發展與應用”的主題演講 。首先，對于整個新能源汽車市場,既然大家今天坐在這里，說明都非?？春檬袌?。從最近各個新能源汽車公司以及相關供應商的股票來看，漲勢都是“一飛沖天” 。從目前資本市場的表現來看，大家已經普遍認可新能源汽車市場到了爆發的拐點，接下來要做的事就是靜待開花結果，一同分享勝利果實，這是屬于行業的盛宴 。
新能源汽車行業的蓬勃發展給半導體芯片帶來一個非常好的機遇 。去年開始，由于疫情的原因，全球的半導體行業有些萎縮，但車規半導體市場在逆勢增長，尤其是SiC市場的倍速增長 。今年的情況更加突出，現在大家每天都在談論的事情就是兩個：一是漲價，二是缺貨 。哪家汽車公司因為芯片缺貨要停產多少時間或是減產，MCU翻了十倍的價格等等，這些消息比比皆是，但這也確實是半導體人非常好的機遇 。令我們很欣慰的是，功率器件在新能源汽車中扮演著非常重要的角色，但今年的缺貨居然沒有那么嚴重 。這要得益于我司及其他國內半導體同仁們在這個領域深耕多年，所以才為汽車廠商和主機廠提供了更多的選擇 。
在國家最新的《新能源汽車發展規劃(2021-2035)》里，政府對新能源汽車有著非常明確的規劃 。我這里主要看到的幾個點是：一、新能源汽車銷量預計于2025年達到20%以上，由此可預見年產銷量將達到500萬以上 。我認為，從目前的形勢來看最終的數據應該會超過以上提到的數字 。另外,在發展規劃中也提出了很重要的要求：純電動乘用車新車平均電耗需降至12.0千瓦時/百公里，而電機驅動和電力電子技術也被列為要深化研發布局的“三縱三橫”技術之一 。
相信大家應該都已經很熟悉，在整個汽車系統里面，使用大量功率器件主要就是電驅，少的起碼有一個電驅，多時甚至還有雙電驅 。此外，電源系統DC/DC、升降壓、熱管理系統等都要用到大量的功率器件 。我用這個表格來展示車上功率器件的使用狀況 。市場上主要存在的插電混動、非常電混動與純電模式，是現在大力發展的幾個技術 。
在實現這幾個技術時，會使用到大量的功率器件，最小的DC/DC一般會有幾千瓦，至于DC/AC電驅100kW是很普遍的，更多的還有200kW甚至300kW，如今匹配發電還有幾十千瓦，接下來的發展方向包括快充，快充到40kW是起步，有時甚至會達到更高的80kW、100kW，整個功率算下來一輛車在單電機已有150kW的功率 。
這個是全球的功率IGBT市場規模，可以看到在整個全球中中國市場占到了大概三分之一的比例，比亞迪半導體在中國車規IGBT占到第二 。對于新能源汽車用功率器件，最主要的功能就是直流到交流電的轉換，因此汽車最大的輸出功率，還有扭矩加速能力等，除了跟電機有關以外，另外一個最大的限制就是功率器件，功率器件可能甚至比電機的限制還大 。所以我們基本上認為功率器件決定了汽車加速和最大功率輸出率 。最大輸出功率時功率器件上不一定對應最大輸出電流時刻，這個可能跟電機控制是有關系的，一般來說零到百公里急加速時電流是最大的 。
技術難點上，無論是功率芯片IGBT，還是SiC，芯片技術的工藝要求都比較復雜，可靠性要求高 。另外封裝技術散熱要求遠遠高于工業的要求 。未來新能源汽車的發展希望做到12度電的百公里電耗，這需要芯片上有更低的損耗 。同時，希望器件成本越低越好，具備更高集成度、更高工作結溫;同樣控制器的大小可以輸出更大功率、更加可靠，這樣才能真正把這個行業給做起來 。
常用的器件是IGBT，大家看一下IGBT的技術發展趨勢 。第一個發展方向是芯片往更薄的厚度去整合，比如現在低壓的IGBT，650 V或750 V IGBT的芯片厚度做到了70微米或60微米 。如果說能進一步把芯片厚度簡薄，每減薄10微米，飽和電壓能降低5個毫伏/微米，芯片面積可以做到更小，成本可以更低 。但相應的會帶來一些問題，比如芯片做薄了以后耐壓波動，高溫漏電可能會增加，關斷軟度會變差，相關的設計、短路耐量都是挑戰 。從理論上看IGBT的性能，市場上現在已經做到很好了，雖然離極限還是有一些距離，但個人感覺在此基礎上突破已經很困難了，每前進一步都要付出更多的心血 。下一步的突破可能要從封裝上入手了 。
IGBT芯片第二個趨勢是精細化 。在半導體發展的初期劃分為兩個領域:一個是走精細加工的集成電路領域，一直往更小的尺寸發展下去;另一個是功率器件領域，因為要通過高壓大電流，所以尺寸一般比較大 。過去人們主要關注器件是否能承受高壓大電流，小尺寸并不是非常重要 。但隨著新的設計理念逐漸深入人心，我們會發現像IGBT、SiC對尺寸加工精細的要求越來越高，加工時會把最新的集成電路的先進技術應用到功率器件中來，也會做一些精細化的工序，這給系統效率的提升帶來了非常大的助力 。

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