新能源汽車加速推廣 自主碳化硅電機取得商業化突破

隨著新能源汽車在我國的推廣，產業鏈的相關布局和積累開始顯現出市場競爭力，其中自主碳化硅電機已取得商業化突破。

近日，精進電動科技股份有限公司(以下簡稱“精進電動”)高功率碳化硅控制器的定制版產品，獲得了大眾汽車旗下商用車集團TRATON的訂單，將大批量配套其在全球市場的重型卡車及客車，包括曼、斯堪尼亞等品牌。

■碳化硅電機性能實現質的飛躍

近年來，我國第三代半導體發展進程加快，基本形成了從晶體生長到器件研發制造的完整產業鏈。第三代半導體以化合物碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)為主，具備耐高溫、耐高壓、抗輻射等特點，適合應用于電力電子功率器件等領域，在新能源汽車、車載充電器、充電樁上都有所應用。　　可以說，新能源汽車產業的迅猛發展，為第三代半導體帶來廣闊的發展空間和良好的市場前景。以碳化硅電力電子器件為例，綜合參照Yole與IHS Markit兩家研究機構的數據，2019年碳化硅電力電子器件市場規模約為5.07億美元，2023年則將增至14億美元，年復合增長率接近30%。

精進電動董事長余平對《中國汽車報》記者表示，碳化硅作為世界公認替代硅的下一代半導體材料，具有開關速度快、開關損耗小的優勢，是實現車用電機控制器功率密度提升的關鍵要素。第三代半導體碳化硅的普及和應用是電驅動系統發展的必然趨勢。如果說其在乘用車市場的優勢更多體現在性能上，在商用車市場則是效率。客車、載貨車是生產工具，經濟性的重要性是遠高于私家車消費市場。

記者了解到，采用碳化硅功率器件的電機實現了質的提升。精進電動發布的全新高功率車用碳化硅控制器，最高功率可達700kW，最高峰值功率密度可達50kW/L，相關參數達到全球領先水平。

數據顯示，采用碳化硅器件的電驅系統，體積可節省40%，重量減輕30%，效率提升10%。得益于碳化硅材料的巨大優勢，近年來多家知名車企紛紛展開布局。2018年7月，戴姆勒在PCIM Europe 2018展會上公布將碳化硅MOSFET應用于電動汽車。特斯拉采購意法半導體的碳化硅MOSFET模塊，單車24只，推測價格約1000美元。預計到2023年，比亞迪將在旗下的電動汽車上，實現碳化硅器件對硅基IGBT器件的全面替代，將整車性能在現有基礎上再提升10%。

■企業多處在預研或驗證階段

據悉，精進電動推出的碳化硅控制器，根據車輛的不同工況循環，相對于硅基控制器可節能3%～6%，且繼續保持了精進電動控制器的傳統優勢，例如高功能安全等級等。

“精進電動經過與德、日、美等國頂級供應商一年多的競爭，終于拿下了這個訂單。這也是精進電動歷史上最大的單一商用車產品訂單。”余平對記者表示，碳化硅控制器配套全球著名的大型商用車集團，對于精進電動來說意義重大，是企業發展的又一里程碑。

車用電機控制器的碳化硅模塊，是新能源汽車的動力總成核心，也是價值最大、重要性最高的半導體產品，更是未來碳化硅在汽車領域競爭的主戰場。目前除了在豐田在普銳斯、特斯拉Model3、比亞迪“漢”高性能版車型上有所應用外，其他國內外車企均處于對碳化硅控制器的預研或驗證階段。

目前，國內車用碳化硅模塊企業正在為配套車輛的全新產品進行驗證，以做好量產的產業化準備。在碳化硅器件商業化落地上，深圳基本半導體有限公司(以下簡稱“基本半導體”)走在了前列。基本半導體總經理和巍巍告訴記者，基本半導體汽車級碳化硅MOSFET模塊產線正在建設中，計劃2021年底通線，2022年3月量產。

和巍巍介紹稱，國內外碳化硅器件廠家不少，大概有20多家，能提供碳化硅MOSFET的大概有5、6家，基本半導體2018年推出了相關產品，是國內最早實現碳化硅MOSFET批量供應的企業。

自主碳化硅器件與碳化硅電機的商業化落地，不僅是新技術的飛躍，而且將進一步打破IGBT被外資企業壟斷的局面。以英飛凌的IGBT為例，國內企業的IGBT產品與之相比至少還有兩代以上的差距，約為8～10年。

“從當前的性能數據對比看，國內企業的碳化硅模塊有不輸于外資品牌的潛力，接下來就是雙方在可靠性和一致性、成本和價格、技術支持和服務、產能和供應鏈保障等方面的比拼。我們緊跟國外先進企業技術和產品的步伐，對于打破‘封鎖’很有信心。”和巍巍說。

■驗證、成本、產能將是終極考驗

與硅基IGBT相比，碳化硅功率器件的弱勢在于成本壓力。余平指出，隨著訂單量的不斷增大，碳化硅電機的成本會逐步攤薄。此外，市場的風險還來源于產品的可靠性、一致性和質量保證能力。電機控制器中的碳化硅模塊是動力系統中最關鍵的部件，發生失效將直接導致電機失速，嚴重時有可能發生人身傷亡等重大交通事故，因此也是汽車企業高度重視的零部件。

對此，和巍巍強調，車規級可靠性試驗驗證，雖然成本高、周期長，但卻是碳化硅MOSFET模塊企業必須要認真對待并努力做好的驗證工作。車規級的生產線、質量控制能力等對于碳化硅MOSFET企業在人機料法環各個要素的嚴格管理、全生命周期的追溯管理等方面也提出全新的要求。

由于傳統工藝和硅材料逼近物理極限，技術研發費用劇增，制造節點的更新難度越來越大，相關技術進步開始放緩。這也給了我國第三代半導體發展“彎道超車”的機會。

“按照目前的發展情況預估，未來3年碳化硅功率器件的成本會下降，將是小批量應用和部分量產的階段;未來3～5年將面臨產能不足局面，成本會有所提升，將是放量應用的階段;未來5～10年產能會大幅提升，成本將進一步下探，價格逼近硅基IGBT，可靠性數據規模化積累，實現硅基IGBT的全面替代。”和巍巍介紹道。

據悉，基本半導體面向不同的應用，開發了傳統封裝和碳化硅專用封裝的電機控制器全碳化硅模塊，同時也在進行從材料到晶圓再到最終模塊封裝的全產業鏈布局，以為未來的規模化應用做好準備。

碳化硅的二極管和MOS管器件在新能源汽車的車載電源系統上已大量應用。而碳化硅MOSFET模塊在新能源汽車上全面替代硅基IGBT模塊，實現大范圍的普及還需要一個相當長的過程。未來10年，碳化硅MOSFET模塊和硅基IGBT模塊在汽車領域將會處于長期共存的一個階段。碳化硅MOSFET模塊的成本問題、產能問題和可靠性驗證數據的問題一旦突破，前面將一馬平川，車載碳化硅MOSFET替代硅基IGBT將勢不可擋。(趙玲玲)