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(chǎn)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(yè)的快速發(fā)展，氮化鎵產(chǎn)品應用即將迎來大爆發(fā)。

全球新能源汽車市場持續(xù)升溫

近日，國務院辦公廳印發(fā)《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021-2035年）》（以下簡稱《規(guī)劃》）?！澳壳爸袊履茉雌嚳偙Ｓ辛繛槿虻谝唬瑒恿﹄姵爻鲐浟恳彩侨虻谝??！痹谥袊嚬I(yè)協(xié)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(yōu)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(guī)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(xiàn)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(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的同時，世界各國也在加大力度奮起直追?！拔覈履茉雌嚠a(chǎn)業(yè)規(guī)模連續(xù)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%?！逼嚱逃抗こ萄芯?a target="_blank">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(shù)據(jù)來看，這一占比已經(jīng)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(jīng)不可逆轉。許艷華表示，在歐洲，嚴苛的碳排放法規(guī)正推動歐洲汽車業(yè)加快電動化腳步。在政策支持力度加大與產(chǎn)業(yè)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(fā)展。拜登執(zhí)政后，美國大概率會重返《巴黎協(xié)定》，因此大力發(fā)展新能源汽車以減少碳排放量，將成為拜登執(zhí)政期間與美國后疫情時代振興經(jīng)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(tǒng)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(chǎn)業(yè)則強;功率半導體產(chǎn)業(yè)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(xiàn)新能源汽車電機控制器功率密度和效率提升的重要途徑?！敝锌圃?a href="http://m.1cnz.cn/v/tag/162/" target="_blank">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(xù)航里程的提升有著緊密的聯(lián)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(diào)、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(xù)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(fā)揮到極致。

第三代半導體產(chǎn)業(yè)鏈吹響集結號

經(jīng)過多年的發(fā)展，我國在新能源汽車的驅動電機領域取得了長足進步。據(jù)蔡蔚介紹，從國內(nèi)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(nèi)產(chǎn)品在功率密度、效率等方面與國際同類產(chǎn)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(xiàn)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(nèi)還需要面臨一系列技術上的挑戰(zhàn)。比如，要想發(fā)揮其耐高溫優(yōu)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(nèi)碳化硅自主芯片和自主材料正處于發(fā)展階段，但仍與國外先進技術和產(chǎn)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(nèi)單位正致力于碳化硅控制器的研發(fā)，并取得了可喜進展。但遺憾的是，目前量產(chǎn)的搭載碳化硅技術的新能源汽車中，尚未看到國內(nèi)產(chǎn)品的身影。

陳宏表示，雖然第三代功率半導體有諸多優(yōu)點，但在國內(nèi)市場與技術發(fā)展等方面也面臨諸多挑戰(zhàn)，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(fā)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(yè)研究重點之一。

“碳化硅器件的價格目前還很高?！鄙虾ｋ婒寗庸煞萦邢薰靖笨偨?jīng)理張舟云表示，“但隨著碳化硅產(chǎn)品在特斯拉Model 3和比亞迪‘漢’上的批量應用，其后續(xù)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(chǎn)品的新能源汽車?！?/p>

新能源汽車和第三代半導體產(chǎn)業(yè)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(fā)和產(chǎn)業(yè)化水平提升上去，以提高下一代國產(chǎn)功率半導體的全球競爭力。
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