今年年初，小米公司推出的氮化鎵(GaN)快速充電器引爆了第三代半導(dǎo)體概念。實(shí)際上，除了在消費(fèi)電子領(lǐng)域備受期待的氮化鎵之外，第三代半導(dǎo)體的另一個(gè)重要產(chǎn)品碳化硅(SiC)有著更為廣闊的應(yīng)用空間。受益于新能源汽車行業(yè)的快速發(fā)展，氮化鎵產(chǎn)品應(yīng)用即將迎來大爆發(fā)。
全球新能源汽車市場(chǎng)持續(xù)升溫
近日，國務(wù)院辦公廳印發(fā)《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2021-2035年)》(以下簡(jiǎn)稱《規(guī)劃》)。“目前中國新能源汽車總保有量為全球第一，動(dòng)力電池出貨量也是全球第一。”在中國汽車工業(yè)協(xié)會(huì)副秘書長許艷華看來，中國會(huì)盡力保持目前在電動(dòng)汽車領(lǐng)域形成的領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。
許艷華表示，目前我國新能源汽車新車銷售量占比為5%左右，從《規(guī)劃》來看，2025年新能源汽車新車銷售量占比將達(dá)到20%。預(yù)計(jì)2035年純電動(dòng)汽車將成為新銷售車輛主流，公共領(lǐng)域用車將實(shí)現(xiàn)全面電動(dòng)化，屆時(shí)我國的新能源汽車保有量將超過1億輛。
在中國新能源汽車產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的同時(shí)，世界各國也在加大力度奮起直追。“我國新能源汽車產(chǎn)業(yè)規(guī)模連續(xù)5年居全球首位，2019年中國新能源汽車銷量占全球市場(chǎng)銷量的53%。”汽車教育部工程研究中心首席科學(xué)家、哈爾濱理工大學(xué)教授蔡蔚表示，“但是從今年1~7月份的數(shù)據(jù)來看，這一占比已經(jīng)大幅下降至39%。這是因?yàn)榻衲暌詠恚聡⒎▏⒂葰W洲國家的新能源汽車銷量保持著70%以上的同比增幅。”
綜觀全球，汽車的電動(dòng)化趨勢(shì)已經(jīng)不可逆轉(zhuǎn)。許艷華表示，在歐洲，嚴(yán)苛的碳排放法規(guī)正推動(dòng)歐洲汽車業(yè)加快電動(dòng)化腳步。在政策支持力度加大與產(chǎn)業(yè)化布局加快的背景下，歐洲電動(dòng)汽車銷量顯著增加，正在快速縮小和中國市場(chǎng)的銷量差距。
許艷華進(jìn)一步指出，在奧巴馬時(shí)代，美國電動(dòng)汽車曾引領(lǐng)全球發(fā)展。拜登執(zhí)政后，美國大概率會(huì)重返《巴黎協(xié)定》，因此大力發(fā)展新能源汽車以減少碳排放量，將成為拜登執(zhí)政期間與美國后疫情時(shí)代振興經(jīng)濟(jì)的重要舉措。
碳化硅是新能源汽車能效提升的關(guān)鍵要素
電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可以說是新能源汽車的“心臟”。在蔡蔚看來，電驅(qū)動(dòng)核心零部件強(qiáng)，新能源汽車產(chǎn)業(yè)則強(qiáng);功率半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈強(qiáng)，電機(jī)控制器則更有競(jìng)爭(zhēng)力。
蔡蔚指出，碳化硅功率半導(dǎo)體屬于第三代寬禁帶半導(dǎo)體的一種，具有高飽和電子速度、高導(dǎo)熱率、高電子密度、高遷移率等特點(diǎn)。碳化硅器件具備的耐高溫、高效、高頻特性，正是推動(dòng)電機(jī)控制器功率密度和效率進(jìn)一步提升的關(guān)鍵要素。
“利用好碳化硅器件的耐高溫、高頻和高效特性，是實(shí)現(xiàn)新能源汽車電機(jī)控制器功率密度和效率提升的重要途徑。”中科院電工研究所主任研究員溫旭輝的觀點(diǎn)與蔡蔚不謀而合。
小鵬汽車動(dòng)力總成中心IPU硬件高級(jí)專家陳宏認(rèn)為，碳化硅技術(shù)的應(yīng)用與整車?yán)m(xù)航里程的提升有著緊密的聯(lián)系。他表示，功率半導(dǎo)體在新能源汽車中的應(yīng)用十分廣泛，應(yīng)用領(lǐng)域包括車載充電機(jī)、空調(diào)、逆變器、直流直流轉(zhuǎn)換器及附屬電氣設(shè)備等。相比硅基IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)功率半導(dǎo)體，第三代半導(dǎo)體碳化硅MOSFET(金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管)具有耐高溫、低功耗及耐高壓等特點(diǎn)。采用碳化硅技術(shù)后，電機(jī)逆變器效率能夠提升約4%，整車?yán)m(xù)航里程將增加約7%。
江蘇宏微科技股份有限公司董事長趙善麟則將新能源汽車稱為“第三代半導(dǎo)體的最佳應(yīng)用場(chǎng)景”。在他看來，新能源汽車有望把第三代半導(dǎo)體的性能發(fā)揮到極致。
第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈吹響集結(jié)號(hào)
經(jīng)過多年的發(fā)展，我國在新能源汽車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)領(lǐng)域取得了長足進(jìn)步。據(jù)蔡蔚介紹，從國內(nèi)外硅基IGBT功率半導(dǎo)體控制器的各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)來看，國內(nèi)產(chǎn)品在功率密度、效率等方面與國際同類產(chǎn)品水平相當(dāng)。2019年，我國90%以上的新能源汽車采用了自主驅(qū)動(dòng)電機(jī)，并實(shí)現(xiàn)了批量出口。
然而，在車用功率半導(dǎo)體這一第三代半導(dǎo)體新賽道上，目前我國還處于下風(fēng)。蔡蔚表示，若想用好碳化硅，國內(nèi)還需要面臨一系列技術(shù)上的挑戰(zhàn)。比如，要想發(fā)揮其耐高溫優(yōu)勢(shì)，就需要采用高結(jié)溫模塊設(shè)計(jì)，這種設(shè)計(jì)方式則要求使用耐高溫、具備高可靠性的封裝材料。
他指出，國內(nèi)碳化硅自主芯片和自主材料正處于發(fā)展階段，但仍與國外先進(jìn)技術(shù)和產(chǎn)品有明顯差距。目前，中科院電工所、中車、上海電驅(qū)動(dòng)公司等國內(nèi)單位正致力于碳化硅控制器的研發(fā)，并取得了可喜進(jìn)展。但遺憾的是，目前量產(chǎn)的搭載碳化硅技術(shù)的新能源汽車中，尚未看到國內(nèi)產(chǎn)品的身影。
陳宏表示，雖然第三代功率半導(dǎo)體有諸多優(yōu)點(diǎn)，但在國內(nèi)市場(chǎng)與技術(shù)發(fā)展等方面也面臨諸多挑戰(zhàn)，如器件成本高、良率低、高頻信號(hào)干擾比硅基IGBT大、制造與封裝難度大等。碳化硅半導(dǎo)體技術(shù)對(duì)功率模塊的封裝要求更高，因此該技術(shù)正朝著耐高溫、高功率密度、低雜散電感、高可靠性封裝路線發(fā)展。
溫旭輝也表示，雖然車用碳化硅控制器功率密度大幅提升、損耗明顯下降，但快速開關(guān)帶來的電磁干擾問題同樣突出，因此寬頻域電磁干擾預(yù)測(cè)及高密度電磁干擾濾波是今后的行業(yè)研究重點(diǎn)之一。
“碳化硅器件的價(jià)格目前還很高。”上海電驅(qū)動(dòng)股份有限公司副總經(jīng)理張舟云表示，“但隨著碳化硅產(chǎn)品在特斯拉Model3和比亞迪‘漢’上的批量應(yīng)用，其后續(xù)應(yīng)用進(jìn)程肯定會(huì)加快。2～3年后，我們會(huì)在市場(chǎng)上看到越來越多應(yīng)用碳化硅產(chǎn)品的新能源汽車。”
新能源汽車和第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)共生共贏。蔡蔚呼吁，第三代功率半導(dǎo)體材料、芯片和封裝方面的供應(yīng)商需要緊急行動(dòng)起來，盡快把開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化水平提升上去，以提高下一代國產(chǎn)功率半導(dǎo)體的全球競(jìng)爭(zhēng)力。