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碳化硅应用电动汽车争抢技术赛道

发布时间: 2022-09-12 08:20:36 来源:亚博体育苹果版下载 作者:亚博体育官方入口

  新能源车都走到了技术的瓶颈,如何进一步提升车辆的经济性成为工程师们挠头的问题。全球汽车行业向碳化硅制成的芯片行业投资数十亿美元,是因为业界认为这类技术可以帮助他们制造高性能电动汽车,比如应用于新能源汽车的半导体及其零部件。

  什么是碳化硅?这类材料的优势在哪里?碳化硅是一种无机物,化学式为SiC,是用石英砂、石油焦(或煤焦)、木屑等原料通过电阻炉高温冶炼而成。

  咱们常用的半导体材料,尤其是各种电子产品中的处理器、存储器等芯片,通常都是基于硅晶体(单晶硅或多晶硅)制造出来的。而实际上还有一类半导体是基于化合物晶体制造的,SiC(碳化硅)半导体就是其中之一。

  由于相比硅基半导体在材料特性上有所差异,SiC(碳化硅)半导体具备比硅基半导体更好的高频、大功率、高辐射性能,也让前者如今多用在航天等高技术领域。而随着此项材料技术的普及,电力机车、混合动力汽车等使用大功率半导体部件的交通工具也开始应用。

  丰田中央研发实验室(CRDL)和著名零部件厂商电装从1980年代就开始合作开发碳化硅半导体材料,而5月中旬它们正式发布了基于碳化硅半导体材料的零部件,应用于新能源车型的功率控制单元(PCU)。由于功率控制单元担负着转换能量的任务(包括我们比较熟悉的逆变器),所以会有不小的能量损耗——PCU通常会有25%也就是四分之一的能量在转换中损失掉了,其中80%来自半导体部件。

  新的SiC(碳化硅)半导体器件大大降低了由于半导体器件造成的能量损失,预计新技术成熟并应用后,可以降低10%的总能量损耗,也就是说对于混合动力车型,可以节省10%的燃油,这在现有技术框架下还是相当可观的进步。

  基于SiC半导体、与电动机整合为一体的逆变器技术,我们并不陌生,大多产品来自于日本电器制造巨头三菱电器。由于碳化硅半导体零部件更为紧凑,以它开发的逆变器尺寸也更小,所以与电动机能很好整合到一起。除开逆变器尺寸更小之外,还简化了逆变器到电动机的连接电路,同时系统的散热设计也更简单,可谓一举多得。

  随着新能源汽车高速发展,此前采用较多的硅(Si)基材料基本已逼近其物理极限,如工作温度、电压阻断能力、正向导通压降、器件开关速度等,尤其在高频和高功率领域更显示出其局限性。为此,需要新的材料来替代。

  作为第三代半导体材料的典型代表,碳化硅(SiC)具有宽的禁带宽度,高击穿电场、高热导率、高电子饱和速率以及更高的抗辐射能力,是高温、高频、大功率应用场合下极为理想的半导体材料。由于SiC功率器件可显著降低电子设备的能耗,因此可使新能源汽车的系统效率更高、重量更轻及结构更加紧密,有助于节省成本以及续航里程的提升。

  “目前,电动车中的主驱逆变器仍以IGBT+硅FRD为主,但考虑到未来电动车需要更长的行驶里程、更短的充电时间和更高的电池容量,在车用半导体中,碳化硅一定会是未来趋势。”一位行业分析人士说道。此外,车载充电器和充电桩使用SiC器件后将充分发挥高频、高温和高压三方面的优势,可实现充电系统高效化、小型化和高可靠性。据了解,目前全球已有超过 20 家汽车厂商在车载充电系统中使用SiC功率器件。

  汽车电气化趋势已不可逆,在此背景下,碳化硅产业的发展站到了风口。行业巨头Cree(科锐)指出,预计到2022年,SiC在电动车用市场空间将快速增长到24亿美元,是2017年车用SiC整体收入(700万美元)的342倍。

  实际上新能源汽车的发展受到基础技术的制约很大,类似碳化硅半导体部件的应用已经能够提升车辆的性能——虽然距离装备量产车型还有距离。而如果能在电池等环节实现突破,那将是革命性的进步。

  “电动汽车的客户正在寻求更大的续航里程,我们认为碳化硅是我们电力电子设计中必不可少的材料。”通用汽车公司副总裁谢尔潘·阿明近期表示,在通用汽车达成使用碳化硅设备的协议后,将交给位于北卡罗来纳州达勒姆的沃尔夫斯比公司来制造。

  虽然碳化硅优点多多,但现在也面临较大挑战。碳化硅芯片实现的电池成本节约超过制造它们的更高成本,行业观察人士表示,要让碳化硅的成本接近硅还有几年的时间。

  法国研究公司Yole Développement研究人员克莱尔·特雷达奇表示,基于碳化硅设备的价格可能是普通硅的五倍,碳化硅更硬更脆,意味着在不破坏碳化硅晶片的情况下抛光碳化硅晶片的表面工艺要求更高。

  今年8月,半导体公司科锐扩大了与欧洲意法半导体的交易,将在未来几年内供应价值超过 8 亿美元的碳化硅晶圆。10月中旬,这家公司还宣布将于明年初在纽约尤蒂卡附近投资 10 亿美元开设全球最大碳化硅工厂。这些动作,都代表未来汽车半导体技术的迭代方向。

  现代汽车中的半导体数量,从点火到制动系统,可以超过一千个。随着全球芯片短缺的拖延,从通用汽车到特斯拉的汽车制造商都发现自己被迫调整生产并重新思考整个供应链。

  根据目前电动车的类型,与碳化硅相关的技术可以为汽车制造商节省高达 750 美元的电池成本。比如特斯拉就是第一个将碳化硅芯片推向市场的公司,这几年在大众市场上销售最便宜Model 3中就使用了碳化硅芯片。

  根据Yole Développement的一份报告,意法半导体目前是特斯拉的碳化硅供应商。业内人士认为,特斯拉Model 3首次使用的碳化硅组件使其续航里程和其他性能有了很大的提升,远超当前市场上的其他电动汽车。

  某些类型的芯片,例如运行智能手机的微处理器,通常不需要在极端条件下工作,因此使用普通硅。但是当芯片控制电流时,碳化硅的优势很重要,尤其是在电动汽车的逆变器中,它将电动汽车电池产生的直流电转换为交流电,为电机提供动力并使车轮转动。

  如果从技术上加以量化,可参考美国能源局在2020年为HEV(混合动力汽车)制定的标准:电力电子(功率半导体)设备的功率密度要超过14.1kW/kg,体积小于13.4kW/kg,效率超过98%,价格低于3.3美元/kW。这对电力电子器件的拓扑性能、控制策略、系统集成和封测等提出了全新要求。

  新能源汽车厂商加速导入刺激,致使SiC功率元器件用量激增,继而影响SiC衬底和外延片需求量同步暴涨,据计算,这两部分材料占比合计高达70%。其中,SiC衬底成本占比最高(43%),技术难度虽次于外延环节但也相当高,如切片和研磨,难度极高。

  全球SiC外延片市场美国Cree、DowCorning和II-VI三家公司占比就达到近80%的份额;在SiC衬底市场,美国Cree和II-VI、日本昭和电工合计市占率超过75%。

  在这个环节中,我国总体技术水平落后国外3~4年,所幸代际差异(代与代之间的差异)已缩小至半代。目前,我国主要从国外巨头如Cree(科锐)、Rohm(罗姆)和II-VI(高意)买入SiC衬底,国内该环节技术有较高水平(进入工程化准备和小批量生产),但总体来说,国内SiC衬底和外延片领域的技术相对落后,产能也待急速提升。