新能源汽车加速推广 碳化硅电机性能实现实现质飞跃

随着新能源汽车在我国的推广，产业链的相关布局和积累开始显现出市场竞争力，其中自主碳化硅电机已取得商业化突破。

近日，精进电动科技股份有限公司(以下简称“精进电动”)高功率碳化硅控制器的定制版产品，获得了大众汽车旗下商用车集团TRATON的订单，将大批量配套其在全球市场的重型卡车及客车，包括曼、斯堪尼亚等品牌。

■碳化硅电机性能实现质的飞跃

近年来，我国第三代半导体发展进程加快，基本形成了从晶体生长到器件研发制造的完整产业链。第三代半导体以化合物碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)为主，具备耐高温、耐高压、抗辐射等特点，适合应用于电力电子功率器件等领域，在新能源汽车、车载充电器、充电桩上都有所应用。　　可以说，新能源汽车产业的迅猛发展，为第三代半导体带来广阔的发展空间和良好的市场前景。以碳化硅电力电子器件为例，综合参照Yole与IHS Markit两家研究机构的数据，2019年碳化硅电力电子器件市场规模约为5.07亿美元，2023年则将增至14亿美元，年复合增长率接近30%。

精进电动董事长余平对《中国汽车报》记者表示，碳化硅作为世界公认替代硅的下一代半导体材料，具有开关速度快、开关损耗小的优势，是实现车用电机控制器功率密度提升的关键要素。第三代半导体碳化硅的普及和应用是电驱动系统发展的必然趋势。如果说其在乘用车市场的优势更多体现在性能上，在商用车市场则是效率。客车、载货车是生产工具，经济性的重要性是远高于私家车消费市场。

记者了解到，采用碳化硅功率器件的电机实现了质的提升。精进电动发布的全新高功率车用碳化硅控制器，最高功率可达700kW，最高峰值功率密度可达50kW/L，相关参数达到全球领先水平。

数据显示，采用碳化硅器件的电驱系统，体积可节省40%，重量减轻30%，效率提升10%。得益于碳化硅材料的巨大优势，近年来多家知名车企纷纷展开布局。2018年7月，戴姆勒在PCIM Europe 2018展会上公布将碳化硅MOSFET应用于电动汽车。特斯拉采购意法半导体的碳化硅MOSFET模块，单车24只，推测价格约1000美元。预计到2023年，比亚迪将在旗下的电动汽车上，实现碳化硅器件对硅基IGBT器件的全面替代，将整车性能在现有基础上再提升10%。

■企业多处在预研或验证阶段

据悉，精进电动推出的碳化硅控制器，根据车辆的不同工况循环，相对于硅基控制器可节能3%～6%，且继续保持了精进电动控制器的传统优势，例如高功能安全等级等。

“精进电动经过与德、日、美等国顶级供应商一年多的竞争，终于拿下了这个订单。这也是精进电动历史上最大的单一商用车产品订单。”余平对记者表示，碳化硅控制器配套全球著名的大型商用车集团，对于精进电动来说意义重大，是企业发展的又一里程碑。

车用电机控制器的碳化硅模块，是新能源汽车的动力总成核心，也是价值最大、重要性最高的半导体产品，更是未来碳化硅在汽车领域竞争的主战场。目前除了在丰田在普锐斯、特斯拉Model3、比亚迪“汉”高性能版车型上有所应用外，其他国内外车企均处于对碳化硅控制器的预研或验证阶段。

目前，国内车用碳化硅模块企业正在为配套车辆的全新产品进行验证，以做好量产的产业化准备。在碳化硅器件商业化落地上，深圳基本半导体有限公司(以下简称“基本半导体”)走在了前列。基本半导体总经理和巍巍告诉记者，基本半导体汽车级碳化硅MOSFET模块产线正在建设中，计划2021年底通线，2022年3月量产。

和巍巍介绍称，国内外碳化硅器件厂家不少，大概有20多家，能提供碳化硅MOSFET的大概有5、6家，基本半导体2018年推出了相关产品，是国内最早实现碳化硅MOSFET批量供应的企业。

自主碳化硅器件与碳化硅电机的商业化落地，不仅是新技术的飞跃，而且将进一步打破IGBT被外资企业垄断的局面。以英飞凌的IGBT为例，国内企业的IGBT产品与之相比至少还有两代以上的差距，约为8～10年。

“从当前的性能数据对比看，国内企业的碳化硅模块有不输于外资品牌的潜力，接下来就是双方在可靠性和一致性、成本和价格、技术支持和服务、产能和供应链保障等方面的比拼。我们紧跟国外先进企业技术和产品的步伐，对于打破‘封锁’很有信心。”和巍巍说。

■验证、成本、产能将是终极考验

与硅基IGBT相比，碳化硅功率器件的弱势在于成本压力。余平指出，随着订单量的不断增大，碳化硅电机的成本会逐步摊薄。此外，市场的风险还来源于产品的可靠性、一致性和质量保证能力。电机控制器中的碳化硅模块是动力系统中最关键的部件，发生失效将直接导致电机失速，严重时有可能发生人身伤亡等重大交通事故，因此也是汽车企业高度重视的零部件。

对此，和巍巍强调，车规级可靠性试验验证，虽然成本高、周期长，但却是碳化硅MOSFET模块企业必须要认真对待并努力做好的验证工作。车规级的生产线、质量控制能力等对于碳化硅MOSFET企业在人机料法环各个要素的严格管理、全生命周期的追溯管理等方面也提出全新的要求。

由于传统工艺和硅材料逼近物理极限，技术研发费用剧增，制造节点的更新难度越来越大，相关技术进步开始放缓。这也给了我国第三代半导体发展“弯道超车”的机会。

“按照目前的发展情况预估，未来3年碳化硅功率器件的成本会下降，将是小批量应用和部分量产的阶段;未来3～5年将面临产能不足局面，成本会有所提升，将是放量应用的阶段;未来5～10年产能会大幅提升，成本将进一步下探，价格逼近硅基IGBT，可靠性数据规模化积累，实现硅基IGBT的全面替代。”和巍巍介绍道。

据悉，基本半导体面向不同的应用，开发了传统封装和碳化硅专用封装的电机控制器全碳化硅模块，同时也在进行从材料到晶圆再到最终模块封装的全产业链布局，以为未来的规模化应用做好准备。

碳化硅的二极管和MOS管器件在新能源汽车的车载电源系统上已大量应用。而碳化硅MOSFET模块在新能源汽车上全面替代硅基IGBT模块，实现大范围的普及还需要一个相当长的过程。未来10年，碳化硅MOSFET模块和硅基IGBT模块在汽车领域将会处于长期共存的一个阶段。碳化硅MOSFET模块的成本问题、产能问题和可靠性验证数据的问题一旦突破，前面将一马平川，车载碳化硅MOSFET替代硅基IGBT将势不可挡。(赵玲玲)