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(2021-2035)》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DC/DC、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DC/DC一般会有几千瓦，至于DC/AC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，650 V或750 V IGBT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5-8%，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。
