關(guān)于功率電子器件在汽車中的發(fā)展趨勢(shì)分析

汽車產(chǎn)業(yè)正在向智能化、電子化等方向發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計(jì)，汽車電子在整車成本中的占比正不斷增加，緊湊型車中占了15%、中高檔轎車中占約28%、混合動(dòng)力車中更占到47%、純電動(dòng)轎車中則占65%。而正在朝智能化、電子化發(fā)展的汽車市場(chǎng)，無疑給整個(gè)半導(dǎo)體市場(chǎng)帶來了新的活力和新的增長點(diǎn)。

英飛凌新能源汽車電力電子應(yīng)用主任工程師何耀華先生一一講述了功率電子器件在汽車中的發(fā)展趨勢(shì)，可能遇到的挑戰(zhàn)，以及英飛凌的應(yīng)對(duì)策略。

英飛凌新能源汽車電力電子應(yīng)用工程師何耀華

1.發(fā)展趨勢(shì)

功率電子器件在汽車中的發(fā)展趨勢(shì)是怎么樣的呢？對(duì)此，何耀華提出了以下4點(diǎn)：

一是將來會(huì)出現(xiàn)專用的汽車級(jí)功率電子器件。他解釋說，雖然汽車級(jí)認(rèn)證的電子元器件是車廠默認(rèn)的準(zhǔn)入條件，通過汽車級(jí)認(rèn)證的產(chǎn)品有著更高的可靠性和性能，但是為工業(yè)應(yīng)用設(shè)計(jì)的通用功率電子器件，已經(jīng)跟不上日新月異的新能源汽車的發(fā)展需求了，設(shè)計(jì)已經(jīng)走過初期的“將就用”的階段，精細(xì)化設(shè)計(jì)已經(jīng)成為了趨勢(shì)和必然。

二是平臺(tái)化設(shè)計(jì)。典型的汽車電子系統(tǒng)開發(fā)耗時(shí)2到3年，如果后續(xù)有更新的需求，推倒重頭開始開發(fā)，需要消耗大量開發(fā)成本和時(shí)間。如果功率電子器件能實(shí)現(xiàn)平臺(tái)化，可以明顯降低開發(fā)成本和周期。何耀華拿英飛凌的Hybridpack drive家族產(chǎn)品舉例說，“針對(duì)70Kw~150Kw平臺(tái)，前期開發(fā)可以使用Hybridpack drive pinfin版本的高性能產(chǎn)品，做到90Kw~150Kw，后續(xù)如有70Kw~90Kw需求，只需要把功率模塊更換為Hybridpack drive flat，無需更改電路和軟件?！?/p>

三是智能化和功能安全設(shè)計(jì)。功率電子傳統(tǒng)意義上是一個(gè)被動(dòng)的執(zhí)行器件，接收指令后動(dòng)作。何耀華認(rèn)為，將來的趨勢(shì)是不僅簡單的接收指令，還有部分判斷和保護(hù)功能，“例如在IGBT內(nèi)部增加電流和溫度傳感器，當(dāng)系統(tǒng)可能出故障時(shí)，能做初步的判斷，可以首先嘗試降低車輛輸出扭矩和速度，而不是直接關(guān)閉。在電池電壓偏高，降低功率器件開關(guān)速度，保護(hù)開關(guān)電路安全，在電池電壓正常時(shí)，做最高效開關(guān)動(dòng)作?！惫β势骷闹悄芑?，可以讓電子控制系統(tǒng)達(dá)到更高安全等級(jí)。

2.可能的挑戰(zhàn)

顯然，智能化，電子化為半導(dǎo)體廠商帶來巨大機(jī)遇的時(shí)候，也帶來了新的挑戰(zhàn)。汽車應(yīng)用不同于傳統(tǒng)工業(yè)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用需求，何耀華舉例說，“大型水電站的發(fā)電機(jī)和輸配電的電力變換器的最重要特性是高可靠性和高性能，因?yàn)閱闻_(tái)價(jià)值高，數(shù)量少，元器件成本稍高也可以接受。但汽車應(yīng)用作為大規(guī)模量產(chǎn)的高端工業(yè)消費(fèi)品，終端客戶是個(gè)人，需要更好地控制終端售價(jià)，因此，對(duì)元器件成本提出了更高的要求?！?/p>

3.英飛凌的應(yīng)對(duì)策略

英飛凌如何應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)呢？何耀華提到四點(diǎn)：

一是，持續(xù)更新產(chǎn)品線，提供更有力的競爭產(chǎn)品。他舉例說，在國內(nèi)廣泛應(yīng)用的針對(duì)120Kw到150Kw逆變器用的功率半導(dǎo)體模塊Hybridpack2，英飛凌推出的更新版本的產(chǎn)品：HybirdPack drive，通過優(yōu)化晶圓性能和內(nèi)部封裝設(shè)計(jì)，在保持輸出功率不變的情況下，降低了30%體積，也就是提高了30%的功率密度，因?yàn)槭褂昧烁俚木A和降低了散熱器面積，市場(chǎng)競爭力也大幅提升。

二是優(yōu)化半導(dǎo)體工藝，降低成本。在多數(shù)半導(dǎo)體廠家還在用8英寸晶圓來生產(chǎn)IGBT晶片時(shí)，英飛凌是業(yè)界少數(shù)幾個(gè)采用12寸晶圓的半導(dǎo)體廠家，通過提高晶片切割的利用效率，降低IGBT晶片的成本，12英寸晶圓意味每盤待切割的晶圓數(shù)量更多，對(duì)良品率的控制要求更高，如何提高生產(chǎn)良品率也是英飛凌核心的競爭力。

三是定制針對(duì)汽車應(yīng)用的IGBT晶圓。之前IGBT晶圓設(shè)計(jì)主要輸入來源是工業(yè)應(yīng)用，例如650V和1200V的IGBT分別針對(duì)220V 和380V的交流整流輸出。英飛凌針對(duì)汽車應(yīng)用另起爐灶，針對(duì)144V的中混，336V到500V的高壓強(qiáng)混和純電動(dòng)車，推出了400V和750V的晶圓，其中型號(hào)為EDT2的晶片，有著業(yè)界最高的產(chǎn)品性能，相對(duì)之前產(chǎn)品提高了20%的性能，使得更緊湊的設(shè)計(jì)成為了可能。當(dāng)然所有晶片都能滿足汽車級(jí)認(rèn)證的各項(xiàng)嚴(yán)苛條件。

四是大規(guī)模持續(xù)供貨能力和質(zhì)量保證。英飛凌在德國瓦爾斯泰因有2條全自動(dòng)化產(chǎn)線，專門生產(chǎn)針對(duì)汽車級(jí)的功率電子IGBT模塊，能保證足夠的產(chǎn)能。全自動(dòng)化產(chǎn)線，也完全避免了人為錯(cuò)誤帶來的影響。各種齊全的生產(chǎn)質(zhì)量控制體系，及出廠產(chǎn)品都經(jīng)過100%覆蓋的測(cè)試，將出廠產(chǎn)品的失效率降到最低。

他同時(shí)還提到，汽車級(jí)設(shè)計(jì)和認(rèn)證體系是保證其產(chǎn)品高可靠性的保證。何耀華拿最新的HybridPack drive IGBT模塊舉例，“該模塊從設(shè)計(jì)概念，到產(chǎn)品從產(chǎn)線生產(chǎn)，經(jīng)歷了3年時(shí)間，其中18個(gè)月是做可靠性驗(yàn)證研發(fā)，可靠性驗(yàn)證研發(fā)的主要工作是，用各種極限測(cè)試做加速老化驗(yàn)證，例如其中一個(gè)測(cè)試叫做溫度循環(huán)測(cè)試，需要將IGBT模塊從50度在5秒內(nèi)加熱到150度，經(jīng)歷60,000次而不出現(xiàn)壽命衰減，震動(dòng)測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)也從5g提高到了20g，還能在短時(shí)間內(nèi)(11毫秒)承受50g的沖擊。同時(shí)，在2008年生產(chǎn)的HybridPack1模塊，在車輛運(yùn)行200,000公里后，拆解逆變器后將功率模塊送到英飛凌做分析，基本完好無損，能通過出廠測(cè)試流程?！?/p>

4.給汽車電子工程師的建議

何耀華認(rèn)為，汽車電子工程師在挑選功率電子器件時(shí)，應(yīng)關(guān)注如下技術(shù)特性：

首先，無容置疑的是需要選擇通過汽車級(jí)認(rèn)證的功率電子器件，從器件選型開始就要保證系統(tǒng)的可靠性；

其次，通過綜合的系統(tǒng)設(shè)計(jì)來優(yōu)化功率器件的選型和降低成本。例如通過配合系統(tǒng)設(shè)計(jì)和工況設(shè)計(jì)，根據(jù)車輛運(yùn)行工況優(yōu)化控制軟件，降低功率器件的需求 ，提高系統(tǒng)性能和降低成本；

三是，電氣參數(shù)的設(shè)計(jì)和選型。這需要考慮極限工作狀況下電氣參數(shù)的影響，并通過仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

最后一點(diǎn)也是最重要的可靠性設(shè)計(jì)。需要做失效分析和耐久試驗(yàn)。

他的建議是在設(shè)計(jì)之初就考慮可靠性和壽命，通過仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，而且需要合理設(shè)計(jì)可靠性參數(shù)，應(yīng)避免過高設(shè)計(jì)余量帶來過高的成本。