今年年初，小米公司推出的氮化鎵（GaN）快速充電器引爆了第三代半導體概念。實際上，除了在消費電子領域備受期待的氮化鎵之外，第三代半導體的另一個重要產品碳化硅（SiC）有著更為廣闊的應用空間。受益于新能源汽車行業的快速發展，氮化鎵產品應用即將迎來大爆發。
全球新能源汽車市場持續升溫
近日，國務院辦公廳印發《新能源汽車產業發展規劃（2021-2035年）》（以下簡稱《規劃》）。“目前中國新能源汽車總保有量為全球第一，動力電池出貨量也是全球第一。”在中國汽車工業協會副秘書長許艷華看來，中國會盡力保持目前在電動汽車領域形成的領先優勢。
許艷華表示，目前我國新能源汽車新車銷售量占比為5%左右，從《規劃》來看，2025年新能源汽車新車銷售量占比將達到20%。預計2035年純電動汽車將成為新銷售車輛主流，公共領域用車將實現全面電動化，屆時我國的新能源汽車保有量將超過1億輛。
在中國新能源汽車產業快速發展的同時，世界各國也在加大力度奮起直追。“我國新能源汽車產業規模連續5年居全球首位，2019年中國新能源汽車銷量占全球市場銷量的53%。”汽車教育部工程研究中心首席科學家、哈爾濱理工大學教授蔡蔚表示，“但是從今年1~7月份的數據來看，這一占比已經大幅下降至39%。這是因為今年以來，德國、法國、英國等歐洲國家的新能源汽車銷量保持著70%以上的同比增幅。”
綜觀全球，汽車的電動化趨勢已經不可逆轉。許艷華表示，在歐洲，嚴苛的碳排放法規正推動歐洲汽車業加快電動化腳步。在政策支持力度加大與產業化布局加快的背景下，歐洲電動汽車銷量顯著增加，正在快速縮小和中國市場的銷量差距。
許艷華進一步指出，在奧巴馬時代，美國電動汽車曾引領全球發展。拜登執政后，美國大概率會重返《巴黎協定》，因此大力發展新能源汽車以減少碳排放量，將成為拜登執政期間與美國后疫情時代振興經濟的重要舉措。
碳化硅是新能源汽車能效提升的關鍵要素
電驅動系統可以說是新能源汽車的“心臟”。在蔡蔚看來，電驅動核心零部件強，新能源汽車產業則強；功率半導體產業鏈強，電機控制器則更有競爭力。
蔡蔚指出，碳化硅功率半導體屬于第三代寬禁帶半導體的一種，具有高飽和電子速度、高導熱率、高電子密度、高遷移率等特點。碳化硅器件具備的耐高溫、高效、高頻特性，正是推動電機控制器功率密度和效率進一步提升的關鍵要素。
“利用好碳化硅器件的耐高溫、高頻和高效特性，是實現新能源汽車電機控制器功率密度和效率提升的重要途徑。”中科院電工研究所主任研究員溫旭輝的觀點與蔡蔚不謀而合。
小鵬汽車動力總成中心IPU硬件高級專家陳宏認為，碳化硅技術的應用與整車續航里程的提升有著緊密的聯系。他表示，功率半導體在新能源汽車中的應用十分廣泛，應用領域包括車載充電機、空調、逆變器、直流直流轉換器及附屬電氣設備等。相比硅基IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）功率半導體，第三代半導體碳化硅MOSFET（金屬氧化物半導體場效應晶體管）具有耐高溫、低功耗及耐高壓等特點。采用碳化硅技術后，電機逆變器效率能夠提升約4%，整車續航里程將增加約7%。
江蘇宏微科技股份有限公司董事長趙善麟則將新能源汽車稱為“第三代半導體的最佳應用場景”。在他看來，新能源汽車有望把第三代半導體的性能發揮到極致。
第三代半導體產業鏈吹響集結號
經過多年的發展，我國在新能源汽車的驅動電機領域取得了長足進步。據蔡蔚介紹，從國內外硅基IGBT功率半導體控制器的各項關鍵技術指標來看，國內產品在功率密度、效率等方面與國際同類產品水平相當。2019年，我國90%以上的新能源汽車采用了自主驅動電機，并實現了批量出口。
然而，在車用功率半導體這一第三代半導體新賽道上，目前我國還處于下風。蔡蔚表示，若想用好碳化硅，國內還需要面臨一系列技術上的挑戰。比如，要想發揮其耐高溫優勢，就需要采用高結溫模塊設計，這種設計方式則要求使用耐高溫、具備高可靠性的封裝材料。
他指出，國內碳化硅自主芯片和自主材料正處于發展階段，但仍與國外先進技術和產品有明顯差距。目前，中科院電工所、中車、上海電驅動公司等國內單位正致力于碳化硅控制器的研發，并取得了可喜進展。但遺憾的是，目前量產的搭載碳化硅技術的新能源汽車中，尚未看到國內產品的身影。
陳宏表示，雖然第三代功率半導體有諸多優點，但在國內市場與技術發展等方面也面臨諸多挑戰，如器件成本高、良率低、高頻信號干擾比硅基IGBT大、制造與封裝難度大等。碳化硅半導體技術對功率模塊的封裝要求更高，因此該技術正朝著耐高溫、高功率密度、低雜散電感、高可靠性封裝路線發展。
溫旭輝也表示，雖然車用碳化硅控制器功率密度大幅提升、損耗明顯下降，但快速開關帶來的電磁干擾問題同樣突出，因此寬頻域電磁干擾預測及高密度電磁干擾濾波是今后的行業研究重點之一。
“碳化硅器件的價格目前還很高。”上海電驅動股份有限公司副總經理張舟云表示，“但隨著碳化硅產品在特斯拉Model3和比亞迪'漢'上的批量應用，其后續應用進程肯定會加快。2～3年后，我們會在市場上看到越來越多應用碳化硅產品的新能源汽車。”
新能源汽車和第三代半導體產業共生共贏。蔡蔚呼吁，第三代功率半導體材料、芯片和封裝方面的供應商需要緊急行動起來，盡快把開發和產業化水平提升上去，以提高下一代國產功率半導體的全球競爭力。（記者 趙晨）
轉自：中國電子報
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