碳化硅芯片國際發(fā)展的現(xiàn)狀與總體趨勢(shì)

第三代半導(dǎo)體是滿足"創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展"國家戰(zhàn)略需求、實(shí)現(xiàn)綠色、低碳、智能和可持續(xù)發(fā)展、搶占未來產(chǎn)業(yè)發(fā)展制高點(diǎn)、支撐國民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展不可或缺的先進(jìn)電子材料，也是全球戰(zhàn)略競(jìng)爭(zhēng)新的制高點(diǎn)。

背景

根據(jù)乘聯(lián)會(huì)數(shù)據(jù)，2017年第1季度共銷售新能源乘用車4.95萬輛，預(yù)計(jì)到2020年達(dá)到500萬輛。

新能源汽車的發(fā)展必然離不開充電樁，預(yù)計(jì)到2020年配套的新增集中式充換電站超過1.2萬座,分散式充電樁超過480萬個(gè)。

相同規(guī)格能源車的價(jià)格是常規(guī)動(dòng)力汽車的1.5~2倍，昂貴的價(jià)格是消費(fèi)者難以接受的，這也是新能源汽車普及和推廣的最大難題。目前各國普遍采用的方法是實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵部件的輕量化、提高功率密度，來進(jìn)一步延長(zhǎng)續(xù)航距離和降低整車成本。

電池、電機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)是新能源汽車的三大核心部件，世界各國都在竭力降低這三大部件的體積和重量。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)由主回路和控制電路構(gòu)成，而主回路部分的體積和重量約占總體的85%。

功率器件是主回路的核心。在影響電機(jī)驅(qū)動(dòng)體積與重量的各部件中，功率器件所占的比重超過65%。

因此，圍繞功率器件進(jìn)一步提高功率密度成為世界各研發(fā)機(jī)構(gòu)降低電機(jī)驅(qū)動(dòng)成本的研發(fā)重點(diǎn)。

現(xiàn)有車用控制器普遍采用硅芯片，經(jīng)過20多年的技術(shù)開發(fā)已經(jīng)十分成熟，在許多方面已逼近甚至達(dá)到了其材料的本征極限。以碳化硅為代表的第三代半導(dǎo)體材料因具有高熱導(dǎo)率、高硬度、耐化學(xué)腐蝕、耐高溫、對(duì)光波透明等優(yōu)良性質(zhì)，吸引各國學(xué)者的注意力，目前已成為電力電子器件的新寵。

基于碳化硅技術(shù)的功率開關(guān)管和功率二極管，比硅基器件的特性有很大提高，即碳化硅器件更適合高頻、高壓和高溫的工作環(huán)境、車載充電器和充電樁使用碳化硅器件后將充分發(fā)揮高頻、高溫和高壓三方面的優(yōu)勢(shì)，可實(shí)現(xiàn)充電系統(tǒng)高效化、小型化和高可靠性。

SiC詳細(xì)介紹請(qǐng)看前幾期內(nèi)容：SiC材料及應(yīng)用大梳理。

我國首個(gè)碳化硅（SiC）新型充電樁示范工程，于2017年4月26日正式啟動(dòng)了，標(biāo)志著我國碳化硅新型充電樁邁出了實(shí)際應(yīng)用的第一步。

國際發(fā)展的現(xiàn)狀與總體趨勢(shì)

世界各國都在努力開發(fā)碳化硅芯片，并希望能夠盡快應(yīng)用到車用電機(jī)控制器中。美國能源部在2012年度研究報(bào)告中明確指出，利用碳化硅器件是實(shí)現(xiàn)2020年車用電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)成本降低一半的關(guān)鍵要素，在其部署的新能源車開發(fā)項(xiàng)目中60%的項(xiàng)目與碳化硅器件應(yīng)用相關(guān)。

來源：EV Everywhere計(jì)劃

以美國科瑞公司(CREE)和日本羅姆公司(Rohm)為首的各國器件制造廠商現(xiàn)已開發(fā)出多種適合新能源汽車的碳化硅開關(guān)芯片與二極管芯片，部分芯片已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

碳化硅器件正在被應(yīng)用于混合動(dòng)力汽車和電動(dòng)汽車的開發(fā)過程中。

國內(nèi)發(fā)展的現(xiàn)狀與總體趨勢(shì)

為搶占下一代新能源汽車用電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)制高點(diǎn)，引領(lǐng)寬禁帶半導(dǎo)體應(yīng)用的新紀(jì)元，科技部、發(fā)改委、工信部和國家自然科學(xué)基金委等多個(gè)部門攜手，大力推進(jìn)SiC功率器件和系統(tǒng)研發(fā)，在基礎(chǔ)研究、關(guān)鍵技術(shù)和具體應(yīng)用等多個(gè)層面給予了有力的支持。

國內(nèi)高校、企業(yè)和研究所陸續(xù)開展了相關(guān)研究，初步構(gòu)建了SiC“單晶-外延-器件”產(chǎn)業(yè)鏈條。我國正在掌握寬禁帶電力電子的關(guān)鍵技術(shù)，科研工作已從過去的單純跟蹤向領(lǐng)先技術(shù)突破邁進(jìn)。

國內(nèi)已有部分廠商采用SiC單管實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的地面充電樁系統(tǒng)。但是由于SiC單管的電流小，多支SiC單管并聯(lián)后，由于雜散參數(shù)的影響，并聯(lián)單管電流不平衡，導(dǎo)致個(gè)別單管發(fā)熱較大，影響系統(tǒng)壽命。同時(shí)由于采用SiC分立器件，系統(tǒng)容量難以進(jìn)一步提升，因此充電系統(tǒng)的僅能完成簡(jiǎn)單的充電功能。

技術(shù)瓶頸

通過碳化硅芯片降低新能源車的成本，需要通過新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，提高開關(guān)頻率和母線電壓，可以降低系統(tǒng)對(duì)無源器件的要求，使電容、電感成本降低；提高母線電壓和器件開關(guān)頻率，可以允許電機(jī)轉(zhuǎn)速增大，減小電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩，降低電機(jī)成本；提高功率器件的節(jié)溫，便于利用高溫冷卻液，或者應(yīng)用風(fēng)冷散熱方法，降低散熱系統(tǒng)成本；改進(jìn)芯片特性使之接近理論極限并提高成品率，可以減小芯片成本。

在實(shí)現(xiàn)成本降低的過程中，待解決的問題主要集中在：探索新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和集成化，實(shí)現(xiàn)芯片穩(wěn)定高速開關(guān)，滿足高溫運(yùn)行的封裝技術(shù)，優(yōu)化散熱系統(tǒng)，改進(jìn)芯片特性并降低工藝成本，電磁兼容和高頻磁元件設(shè)計(jì)。

產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用障礙

1、電力電子集成度與國外產(chǎn)品相比較差距較大

從電力電子控制系統(tǒng)部件來說，我國在車用功率模塊、電容器、接插件等關(guān)鍵部件的研發(fā)和生產(chǎn)能力起步較晚，與車用工況需求差距較大。

在電力電子集成系統(tǒng)方面，國內(nèi)目前應(yīng)用于各類電動(dòng)車輛的功率控制單元（PCU）、集成控制單元（IPU）的集成度仍需要進(jìn)一步提高。

2、可靠性、耐久性、環(huán)境適應(yīng)性的設(shè)計(jì)與認(rèn)證水平仍有較大差距

從車輛應(yīng)用環(huán)境出發(fā)，對(duì)電機(jī)控制器系統(tǒng)的可靠性、耐久性與環(huán)境條適應(yīng)性研究和試驗(yàn)驗(yàn)證，預(yù)測(cè)和評(píng)估方法等方面仍需要深入研究，加大試驗(yàn)驗(yàn)證力度。

3、批量生產(chǎn)工藝水平、專用生產(chǎn)設(shè)備、自動(dòng)化生產(chǎn)線水平與產(chǎn)品的一致性需要加強(qiáng)受制于目前的生產(chǎn)規(guī)模，車用電機(jī)控制系統(tǒng)的生產(chǎn)工藝水平仍停留在人工生產(chǎn)和半自動(dòng)生產(chǎn)水平，規(guī)?；纳a(chǎn)線和相應(yīng)的專業(yè)生產(chǎn)設(shè)備仍與汽車工業(yè)生產(chǎn)的需求差距較大，產(chǎn)品的一致性和質(zhì)量保證體系仍需要加強(qiáng)。

4、產(chǎn)品規(guī)范與檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)仍存在差距

按照汽車工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和汽車應(yīng)用需求的產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、標(biāo)準(zhǔn)化、檢驗(yàn)規(guī)范和檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的水平和能力仍然存在。

小結(jié)

可靠性和低成本是電力電子努力的方向。作為新一代能源技術(shù)革命，SiC電力電子器件在電源轉(zhuǎn)換、逆變器等應(yīng)用中已經(jīng)具有技術(shù)和綜合成本優(yōu)勢(shì)，規(guī)模化生產(chǎn)促進(jìn)價(jià)格進(jìn)一步下降，將在充電樁、新能源汽車等中小功率市場(chǎng)快速啟動(dòng)。

編輯：黃飛

?