隨著新能源汽車在我國(guó)的推廣，產(chǎn)業(yè)鏈的相關(guān)布局和積累開(kāi)始顯現(xiàn)出市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，其中自主碳化硅電機(jī)已取得商業(yè)化突破。

近日，精進(jìn)電動(dòng)科技股份有限公司(以下簡(jiǎn)稱“精進(jìn)電動(dòng)”)高功率碳化硅控制器的定制版產(chǎn)品，獲得了大眾汽車旗下商用車集團(tuán)TRATON的訂單，將大批量配套其在全球市場(chǎng)的重型卡車及客車，包括曼、斯堪尼亞等品牌。

■碳化硅電機(jī)性能實(shí)現(xiàn)質(zhì)的飛躍

近年來(lái)，我國(guó)第三代半導(dǎo)體發(fā)展進(jìn)程加快，基本形成了從晶體生長(zhǎng)到器件研發(fā)制造的完整產(chǎn)業(yè)鏈。第三代半導(dǎo)體以化合物碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)為主，具備耐高溫、耐高壓、抗輻射等特點(diǎn)，適合應(yīng)用于電力電子功率器件等領(lǐng)域，在新能源汽車、車載充電器、充電樁上都有所應(yīng)用。　　可以說(shuō)，新能源汽車產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，為第三代半導(dǎo)體帶來(lái)廣闊的發(fā)展空間和良好的市場(chǎng)前景。以碳化硅電力電子器件為例，綜合參照Yole與IHS Markit兩家研究機(jī)構(gòu)的數(shù)據(jù)，2019年碳化硅電力電子器件市場(chǎng)規(guī)模約為5.07億美元，2023年則將增至14億美元，年復(fù)合增長(zhǎng)率接近30%。

精進(jìn)電動(dòng)董事長(zhǎng)余平對(duì)《中國(guó)汽車報(bào)》記者表示，碳化硅作為世界公認(rèn)替代硅的下一代半導(dǎo)體材料，具有開(kāi)關(guān)速度快、開(kāi)關(guān)損耗小的優(yōu)勢(shì)，是實(shí)現(xiàn)車用電機(jī)控制器功率密度提升的關(guān)鍵要素。第三代半導(dǎo)體碳化硅的普及和應(yīng)用是電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢(shì)。如果說(shuō)其在乘用車市場(chǎng)的優(yōu)勢(shì)更多體現(xiàn)在性能上，在商用車市場(chǎng)則是效率。客車、載貨車是生產(chǎn)工具，經(jīng)濟(jì)性的重要性是遠(yuǎn)高于私家車消費(fèi)市場(chǎng)。

記者了解到，采用碳化硅功率器件的電機(jī)實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的提升。精進(jìn)電動(dòng)發(fā)布的全新高功率車用碳化硅控制器，最高功率可達(dá)700kW，最高峰值功率密度可達(dá)50kW/L，相關(guān)參數(shù)達(dá)到全球領(lǐng)先水平。

數(shù)據(jù)顯示，采用碳化硅器件的電驅(qū)系統(tǒng)，體積可節(jié)省40%，重量減輕30%，效率提升10%。得益于碳化硅材料的巨大優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)多家知名車企紛紛展開(kāi)布局。2018年7月，戴姆勒在PCIM Europe 2018展會(huì)上公布將碳化硅MOSFET應(yīng)用于電動(dòng)汽車。特斯拉采購(gòu)意法半導(dǎo)體的碳化硅MOSFET模塊，單車24只，推測(cè)價(jià)格約1000美元。預(yù)計(jì)到2023年，比亞迪將在旗下的電動(dòng)汽車上，實(shí)現(xiàn)碳化硅器件對(duì)硅基IGBT器件的全面替代，將整車性能在現(xiàn)有基礎(chǔ)上再提升10%。

■企業(yè)多處在預(yù)研或驗(yàn)證階段

據(jù)悉，精進(jìn)電動(dòng)推出的碳化硅控制器，根據(jù)車輛的不同工況循環(huán)，相對(duì)于硅基控制器可節(jié)能3%～6%，且繼續(xù)保持了精進(jìn)電動(dòng)控制器的傳統(tǒng)優(yōu)勢(shì)，例如高功能安全等級(jí)等。

“精進(jìn)電動(dòng)經(jīng)過(guò)與德、日、美等國(guó)頂級(jí)供應(yīng)商一年多的競(jìng)爭(zhēng)，終于拿下了這個(gè)訂單。這也是精進(jìn)電動(dòng)歷史上最大的單一商用車產(chǎn)品訂單。”余平對(duì)記者表示，碳化硅控制器配套全球著名的大型商用車集團(tuán)，對(duì)于精進(jìn)電動(dòng)來(lái)說(shuō)意義重大，是企業(yè)發(fā)展的又一里程碑。

車用電機(jī)控制器的碳化硅模塊，是新能源汽車的動(dòng)力總成核心，也是價(jià)值最大、重要性最高的半導(dǎo)體產(chǎn)品，更是未來(lái)碳化硅在汽車領(lǐng)域競(jìng)爭(zhēng)的主戰(zhàn)場(chǎng)。目前除了在豐田在普銳斯、特斯拉Model3、比亞迪“漢”高性能版車型上有所應(yīng)用外，其他國(guó)內(nèi)外車企均處于對(duì)碳化硅控制器的預(yù)研或驗(yàn)證階段。

目前，國(guó)內(nèi)車用碳化硅模塊企業(yè)正在為配套車輛的全新產(chǎn)品進(jìn)行驗(yàn)證，以做好量產(chǎn)的產(chǎn)業(yè)化準(zhǔn)備。在碳化硅器件商業(yè)化落地上，深圳基本半導(dǎo)體有限公司(以下簡(jiǎn)稱“基本半導(dǎo)體”)走在了前列。基本半導(dǎo)體總經(jīng)理和巍巍告訴記者，基本半導(dǎo)體汽車級(jí)碳化硅MOSFET模塊產(chǎn)線正在建設(shè)中，計(jì)劃2021年底通線，2022年3月量產(chǎn)。

和巍巍介紹稱，國(guó)內(nèi)外碳化硅器件廠家不少，大概有20多家，能提供碳化硅MOSFET的大概有5、6家，基本半導(dǎo)體2018年推出了相關(guān)產(chǎn)品，是國(guó)內(nèi)最早實(shí)現(xiàn)碳化硅MOSFET批量供應(yīng)的企業(yè)。

自主碳化硅器件與碳化硅電機(jī)的商業(yè)化落地，不僅是新技術(shù)的飛躍，而且將進(jìn)一步打破IGBT被外資企業(yè)壟斷的局面。以英飛凌的IGBT為例，國(guó)內(nèi)企業(yè)的IGBT產(chǎn)品與之相比至少還有兩代以上的差距，約為8～10年。

“從當(dāng)前的性能數(shù)據(jù)對(duì)比看，國(guó)內(nèi)企業(yè)的碳化硅模塊有不輸于外資品牌的潛力，接下來(lái)就是雙方在可靠性和一致性、成本和價(jià)格、技術(shù)支持和服務(wù)、產(chǎn)能和供應(yīng)鏈保障等方面的比拼。我們緊跟國(guó)外先進(jìn)企業(yè)技術(shù)和產(chǎn)品的步伐，對(duì)于打破‘封鎖’很有信心。”和巍巍說(shuō)。

■驗(yàn)證、成本、產(chǎn)能將是終極考驗(yàn)

與硅基IGBT相比，碳化硅功率器件的弱勢(shì)在于成本壓力。余平指出，隨著訂單量的不斷增大，碳化硅電機(jī)的成本會(huì)逐步攤薄。此外，市場(chǎng)的風(fēng)險(xiǎn)還來(lái)源于產(chǎn)品的可靠性、一致性和質(zhì)量保證能力。電機(jī)控制器中的碳化硅模塊是動(dòng)力系統(tǒng)中最關(guān)鍵的部件，發(fā)生失效將直接導(dǎo)致電機(jī)失速，嚴(yán)重時(shí)有可能發(fā)生人身傷亡等重大交通事故，因此也是汽車企業(yè)高度重視的零部件。

對(duì)此，和巍巍強(qiáng)調(diào)，車規(guī)級(jí)可靠性試驗(yàn)驗(yàn)證，雖然成本高、周期長(zhǎng)，但卻是碳化硅MOSFET模塊企業(yè)必須要認(rèn)真對(duì)待并努力做好的驗(yàn)證工作。車規(guī)級(jí)的生產(chǎn)線、質(zhì)量控制能力等對(duì)于碳化硅MOSFET企業(yè)在人機(jī)料法環(huán)各個(gè)要素的嚴(yán)格管理、全生命周期的追溯管理等方面也提出全新的要求。

由于傳統(tǒng)工藝和硅材料逼近物理極限，技術(shù)研發(fā)費(fèi)用劇增，制造節(jié)點(diǎn)的更新難度越來(lái)越大，相關(guān)技術(shù)進(jìn)步開(kāi)始放緩。這也給了我國(guó)第三代半導(dǎo)體發(fā)展“彎道超車”的機(jī)會(huì)。

“按照目前的發(fā)展情況預(yù)估，未來(lái)3年碳化硅功率器件的成本會(huì)下降，將是小批量應(yīng)用和部分量產(chǎn)的階段;未來(lái)3～5年將面臨產(chǎn)能不足局面，成本會(huì)有所提升，將是放量應(yīng)用的階段;未來(lái)5～10年產(chǎn)能會(huì)大幅提升，成本將進(jìn)一步下探，價(jià)格逼近硅基IGBT，可靠性數(shù)據(jù)規(guī)模化積累，實(shí)現(xiàn)硅基IGBT的全面替代。”和巍巍介紹道。

據(jù)悉，基本半導(dǎo)體面向不同的應(yīng)用，開(kāi)發(fā)了傳統(tǒng)封裝和碳化硅專用封裝的電機(jī)控制器全碳化硅模塊，同時(shí)也在進(jìn)行從材料到晶圓再到最終模塊封裝的全產(chǎn)業(yè)鏈布局，以為未來(lái)的規(guī)模化應(yīng)用做好準(zhǔn)備。

碳化硅的二極管和MOS管器件在新能源汽車的車載電源系統(tǒng)上已大量應(yīng)用。而碳化硅MOSFET模塊在新能源汽車上全面替代硅基IGBT模塊，實(shí)現(xiàn)大范圍的普及還需要一個(gè)相當(dāng)長(zhǎng)的過(guò)程。未來(lái)10年，碳化硅MOSFET模塊和硅基IGBT模塊在汽車領(lǐng)域?qū)?huì)處于長(zhǎng)期共存的一個(gè)階段。碳化硅MOSFET模塊的成本問(wèn)題、產(chǎn)能問(wèn)題和可靠性驗(yàn)證數(shù)據(jù)的問(wèn)題一旦突破，前面將一馬平川，車載碳化硅MOSFET替代硅基IGBT將勢(shì)不可擋。(趙玲玲)