以碳化硅、氮化鎵為代表的寬禁帶半導體材料具有高熱導率、高擊穿場(chǎng)強、高飽和電子漂移速率等特點(diǎn)，可以極大滿(mǎn)足新能源汽車(chē)電動(dòng)化、網(wǎng)聯(lián)化、智能化發(fā)展趨勢的要求，對新能源汽車(chē)發(fā)展具有重要意義?！吨袊娮訄蟆烽_(kāi)設“寬禁帶半導體與新能源汽車(chē)”專(zhuān)欄，以寬禁帶半導體在新能源汽車(chē)領(lǐng)域的應用為切入點(diǎn)，全面系統報道寬禁帶半導體技術(shù)趨勢、市場(chǎng)發(fā)展現狀和產(chǎn)業(yè)發(fā)展難題等。敬請關(guān)注。

我國新能源汽車(chē)產(chǎn)銷(xiāo)量、保有量連續6年居世界首位，為寬禁帶半導體的技術(shù)驗證和更新迭代提供了大量應用數據樣本。記者在采訪(fǎng)時(shí)了解到，寬禁帶半導體能有效提升新能源汽車(chē)性能并降低系統性成本，在新能源汽車(chē)領(lǐng)域的應用正處于“小步快跑”階段，未來(lái)兩年有望迎來(lái)市場(chǎng)大爆發(fā)，但要實(shí)現規?；瘧?，還需要產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同，多個(gè)層面發(fā)力。

寬禁帶半導體材料擁有高頻、高功率、耐高溫、抗高輻射、光電性能優(yōu)異等特點(diǎn)，特別適合于制造電力電子、微波射頻、光電子等元器件，與新能源汽車(chē)所代表的電氣化、智能化趨勢天然契合。

基本半導體汽車(chē)行業(yè)總監文宇向《中國電子報》記者指出，碳化硅等寬禁帶半導體在新能源汽車(chē)的應用空間，可以從以下層面來(lái)看。

在傳統的新能源汽車(chē)也就是純電動(dòng)車(chē)領(lǐng)域，碳化硅主要用于電機驅動(dòng)逆變器、OBC（車(chē)載充電機）和DC-DC車(chē)載電源轉換器。其中，用于電機驅動(dòng)逆變器的功率模塊是最主要且增長(cháng)空間最大的車(chē)用碳化硅產(chǎn)品。隨著(zhù)新能源汽車(chē)技術(shù)的發(fā)展，以及氫燃料電池技術(shù)的應用，碳化硅的應用區間得到了大幅提升。

在超級快充領(lǐng)域，一般來(lái)說(shuō)，50度電的新能源汽車(chē)滿(mǎn)充需要2個(gè)小時(shí)，而超級快充可以在10～15分鐘將電充滿(mǎn)。在超級快充的過(guò)程中，電池包會(huì )產(chǎn)生大量的熱，而最新的散熱技術(shù)是基于車(chē)載空調的散熱系統，這就為采用碳化硅器件的大功率空壓機提供了應用空間。此外，氫燃料電池在把氣體轉化成電能時(shí)，空壓機對空氣進(jìn)行高速分離的過(guò)程中，以及氫燃料的電堆DC—DC在升壓過(guò)程中，硅器件已無(wú)法承擔此類(lèi)系統對于高頻高效的需求，從而需要采用碳化硅功率器件來(lái)達到效果。

雖然碳化硅器件成本略高于硅基器件，但采用碳化硅器件實(shí)現了電池成本的大幅下降和續航里程的提升，從而有效降低了整車(chē)成本。數據顯示，在新能源汽車(chē)使用碳化硅MOSFET的90～350Kw驅動(dòng)逆變器，碳化硅增加的成本為75～150美元，為電池、空間、冷卻系統節省的成本在525～850美元，系統性成本顯著(zhù)下降。

國家新能源汽車(chē)技術(shù)創(chuàng )新中心總經(jīng)理原誠寅向《中國電子報》記者指出，碳化硅器件在新能源汽車(chē)中的技術(shù)價(jià)值，體現在能耗優(yōu)化、動(dòng)力性能提升和車(chē)輛輕量化等指標上。一是寬溫區。硅基IGBT的溫區一般在125?！?50。，碳化硅的工作溫度可以達到200。。電機一旦過(guò)熱就會(huì )主動(dòng)降低功率避免器件損害，因而碳化硅功率器件能維持更長(cháng)時(shí)間的高功率輸出。二是更高的能量轉化效率。三是更高的集成度。相比硅基，基于碳化硅功率模塊的電機控制器能實(shí)現30%～40%的減重，以及75%左右的體積縮小。

“使用碳化硅器件，能在乘用車(chē)的前機艙讓出更多空間，并降低整車(chē)重量。這就意味著(zhù)車(chē)輛能耗降低，因為車(chē)輛能耗與風(fēng)阻和重量密切相關(guān)?！痹\寅表示。

碳化硅在新能源汽車(chē)的應用，正處于“小步快跑”與批量化部署的臨界點(diǎn)上。Yole數據顯示，2019年碳化硅功率器件市場(chǎng)中有2.25億美元來(lái)源于新能源汽車(chē)，預計到2025年，碳化硅功率器件在新能源汽車(chē)領(lǐng)域的市場(chǎng)規模將達到15.53億美元，年復合增長(cháng)率達38%。此外，受益于新能源車(chē)充電樁等基礎設施快速落地，預計到2025年應用于充電樁的碳化硅市場(chǎng)規模將達到2.25億美元，年復合增長(cháng)率達90%。

從應用水平來(lái)看，碳化硅在車(chē)載電源領(lǐng)域的市場(chǎng)滲透率迅速提升，但在采用MOSFET的電機控制功率模塊上，大多數廠(chǎng)商還處于研發(fā)和樣機測試階段。不過(guò)，“勇開(kāi)先河”的國內外企業(yè)已經(jīng)出現。特斯拉Tesla推出的Model3，就采用了基于碳化硅MOSFET功率模塊的逆變器。比亞迪的“漢”也搭載了碳化硅MOSFET功率控制模塊。

北京三安光電有限公司副總經(jīng)理陳東坡向《中國電子報》表示，碳化硅在OBC上滲透得會(huì )快一些，國外不少公司已經(jīng)在2018年開(kāi)始將碳化硅肖特基勢壘二極管和MOS管用在OBC上；同時(shí)，碳化硅MOS管在DC-DC上的應用，也于2018年逐年增加。

“碳化硅在主逆變器上的應用會(huì )慢一些，預計到2021年以后才會(huì )出現碳化硅MOS管的實(shí)質(zhì)性應用?！标悥|坡告訴記者。

文宇也表示，碳化硅在OBC和DC-DC的應用已經(jīng)相對成熟。而基于碳化硅的電機控制器技術(shù)還處于研發(fā)階段，仍需要碳化硅功率模塊供應商與整車(chē)企業(yè)、電機控制器企業(yè)協(xié)同測試驗證，以提升其應用能力。目前來(lái)看，國內整車(chē)企業(yè)搭載碳化硅電機控制器的新車(chē)量產(chǎn)時(shí)間大多集中在2022-2023年。

“2023年會(huì )成為碳化硅在新能源汽車(chē)市場(chǎng)的一個(gè)爆發(fā)點(diǎn)。應用碳化硅模塊的車(chē)廠(chǎng)會(huì )越來(lái)越多。目前幾乎所有的乘用車(chē)企業(yè)都把碳化硅電機控制器開(kāi)發(fā)列入到新項目開(kāi)發(fā)的時(shí)間表中。從全球市場(chǎng)來(lái)看，預估2022-2023年，碳化硅的供應會(huì )進(jìn)入到全面供不應求的階段?！蔽挠钕蛴浾弑硎?。

2015年-2020年，我國新能源汽車(chē)產(chǎn)銷(xiāo)量、保有量連續6年居世界首位，為寬禁帶半導體的技術(shù)驗證和更新迭代提供了大量的應用數據樣本。國家及地方政策的出臺，也為寬禁帶半導體等涉及新能源汽車(chē)基礎技術(shù)提升的產(chǎn)業(yè)注入動(dòng)力。但是，要實(shí)現寬禁帶半導體在新能源汽車(chē)領(lǐng)域的規?；瘧?，還要在技術(shù)、市場(chǎng)以及產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同等多個(gè)層面發(fā)力。

在技術(shù)層面，碳化硅作為新材料，需要專(zhuān)用的封裝工藝技術(shù)才能發(fā)揮優(yōu)勢，這對于模塊企業(yè)、電機控制器企業(yè)、整車(chē)企業(yè)而言都是一種挑戰。

“如果沿用傳統的硅IGBT封裝技術(shù)來(lái)做碳化硅的功率模塊，將無(wú)法充分發(fā)揮碳化硅材料在出流能力、散熱能力等方面的優(yōu)勢。這就需要有全新的碳化硅專(zhuān)用封裝技術(shù)?！蔽挠钫f(shuō)，“另外，在碳化硅功率模塊的驅動(dòng)領(lǐng)域，也面臨了新的技術(shù)挑戰。很多客戶(hù)都希望碳化硅功率模塊企業(yè)在交付碳化硅功率模塊樣品時(shí)，能夠為每個(gè)模塊配套專(zhuān)用驅動(dòng)?！?/span>

下游客戶(hù)的量產(chǎn)需求，也在倒逼碳化硅功率模塊企業(yè)的業(yè)務(wù)拓展和技術(shù)進(jìn)步。面對客戶(hù)的車(chē)用碳化硅功率模塊需求，基本半導體今年初已在無(wú)錫投建汽車(chē)級碳化硅功率模塊封裝線(xiàn)，預計年底通線(xiàn)，2022年6月實(shí)現量產(chǎn)。對于客戶(hù)關(guān)切的驅動(dòng)問(wèn)題，基本半導體在集團內部與青銅劍技術(shù)的驅動(dòng)團隊合作，為其碳化硅功率模塊配套相應的驅動(dòng)產(chǎn)品。

在市場(chǎng)推廣方面，陳東坡表示，國內碳化硅器件在新能源汽車(chē)領(lǐng)域遇到的挑戰和問(wèn)題主要包括三方面。首先，碳化硅MOSFET產(chǎn)品需要盡快推出，并能大批量制造；其次，產(chǎn)品的可靠性和良品率需要大幅提升；最后，價(jià)格需要繼續降低。同時(shí)，上游的元器件和下游的汽車(chē)廠(chǎng)商需要協(xié)同，加速推進(jìn)可靠性上車(chē)認證；產(chǎn)業(yè)應用生態(tài)也應進(jìn)一步完善。

在產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同方面，車(chē)用碳化硅和所有國產(chǎn)車(chē)規芯片廠(chǎng)商一樣，要解決下游客戶(hù)“不敢用、不好用、不能用”的隱憂(yōu)?！啊桓矣谩且驗閲a(chǎn)碳化硅器件沒(méi)有裝車(chē)上路的數據?！缓糜谩且驗楸镜嘏涮啄芰头?wù)體系欠缺?！荒苡谩且驗槿狈臉藴屎驮u價(jià)體系?！痹\寅向記者指出。

要解決這三個(gè)“不”，原誠寅認為，首先要在國內形成對車(chē)規芯片的認證和評價(jià)標準，讓客戶(hù)對國產(chǎn)車(chē)規芯片有一個(gè)量化的認知。否則車(chē)企只能選擇國際大廠(chǎng)已經(jīng)裝車(chē)搭載的芯片，來(lái)規避不確定性帶來(lái)的風(fēng)險。其次，要為國產(chǎn)車(chē)規芯片的試錯、改進(jìn)、提升提供機制保障。近期，中國汽車(chē)芯片產(chǎn)業(yè)創(chuàng )新戰略聯(lián)盟舉辦了汽車(chē)芯片保險簽約儀式發(fā)布活動(dòng)，開(kāi)展汽車(chē)芯片保險和保費補貼試點(diǎn)工作，以金融保險手段分擔產(chǎn)業(yè)鏈上下游風(fēng)險。最后，產(chǎn)業(yè)要形成上下游協(xié)同機制，提升本地化配套能力，培養本土供應鏈。

“國內車(chē)用芯片尚未形成完整的供應鏈體系，缺乏上下游協(xié)同的生態(tài)。希望下游客戶(hù)權衡好短期利益和長(cháng)期利益，將目光放得長(cháng)遠，扶植足夠信任的本地下游伙伴成長(cháng)，形成包含軟件、服務(wù)、體系的生態(tài)，把本土化配套做起來(lái)?！痹\寅說(shuō)。