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比亚迪吴海平:新能源汽车功率器件的发展与应用

日期:2021-06-30    来源:NE时代

国际充换电网

2021
06/30
09:47
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关键词: 比亚迪 吴海平 新能源汽车

我分享一下有关“新能源汽车功率器件的发展与应用”的主题演讲。首先,对于整个新能源汽车市场,既然大家今天坐在这里,说明都非常看好市场。从最近各个新能源汽车公司以及相关供应商的股票来看,涨势都是“一飞冲天”。从目前资本市场的表现来看,大家已经普遍认可新能源汽车市场到了爆发的拐点,接下来要做的事就是静待开花结果,一同分享胜利果实,这是属于行业的盛宴。

新能源汽车行业的蓬勃发展给半导体芯片带来一个非常好的机遇。去年开始,由于疫情的原因,全球的半导体行业有些萎缩,但车规半导体市场在逆势增长,尤其是SiC市场的倍速增长。今年的情况更加突出,现在大家每天都在谈论的事情就是两个:一是涨价,二是缺货。哪家汽车公司因为芯片缺货要停产多少时间或是减产,MCU翻了十倍的价格等等,这些消息比比皆是,但这也确实是半导体人非常好的机遇。令我们很欣慰的是,功率器件在新能源汽车中扮演着非常重要的角色,但今年的缺货居然没有那么严重。这要得益于我司及其他国内半导体同仁们在这个领域深耕多年,所以才为汽车厂商和主机厂提供了更多的选择。

在国家最新的《新能源汽车发展规划(2021-2035)》里,政府对新能源汽车有着非常明确的规划。我这里主要看到的几个点是:一、新能源汽车销量预计于2025年达到20%以上,由此可预见年产销量将达到500万以上。我认为,从目前的形势来看最终的数据应该会超过以上提到的数字。另外,在发展规划中也提出了很重要的要求:纯电动乘用车新车平均电耗需降至12.0千瓦时/百公里,而电机驱动和电力电子技术也被列为要深化研发布局的“三纵三横”技术之一。

相信大家应该都已经很熟悉,在整个汽车系统里面,使用大量功率器件主要就是电驱,少的起码有一个电驱,多时甚至还有双电驱。此外,电源系统DC/DC、升降压、热管理系统等都要用到大量的功率器件。我用这个表格来展示车上功率器件的使用状况。市场上主要存在的插电混动、非常电混动与纯电模式,是现在大力发展的几个技术。

在实现这几个技术时,会使用到大量的功率器件,最小的DC/DC一般会有几千瓦,至于DC/AC电驱100kW是很普遍的,更多的还有200kW甚至300kW,如今匹配发电还有几十千瓦,接下来的发展方向包括快充,快充到40kW是起步,有时甚至会达到更高的80kW、100kW,整个功率算下来一辆车在单电机已有150kW的功率。

这个是全球的功率IGBT市场规模,可以看到在整个全球中中国市场占到了大概三分之一的比例,比亚迪半导体在中国车规IGBT占到第二。对于新能源汽车用功率器件,最主要的功能就是直流到交流电的转换,因此汽车最大的输出功率,还有扭矩加速能力等,除了跟电机有关以外,另外一个最大的限制就是功率器件,功率器件可能甚至比电机的限制还大。所以我们基本上认为功率器件决定了汽车加速和最大功率输出率。最大输出功率时功率器件上不一定对应最大输出电流时刻,这个可能跟电机控制是有关系的,一般来说零到百公里急加速时电流是最大的。

技术难点上,无论是功率芯片IGBT,还是SiC,芯片技术的工艺要求都比较复杂,可靠性要求高。另外封装技术散热要求远远高于工业的要求。未来新能源汽车的发展希望做到12度电的百公里电耗,这需要芯片上有更低的损耗。同时,希望器件成本越低越好,具备更高集成度、更高工作结温;同样控制器的大小可以输出更大功率、更加可靠,这样才能真正把这个行业给做起来。

常用的器件是IGBT,大家看一下IGBT的技术发展趋势。第一个发展方向是芯片往更薄的厚度去整合,比如现在低压的IGBT,650 V或750 V IGBT的芯片厚度做到了70微米或60微米。如果说能进一步把芯片厚度简薄,每减薄10微米,饱和电压能降低5个毫伏/微米,芯片面积可以做到更小,成本可以更低。但相应的会带来一些问题,比如芯片做薄了以后耐压波动,高温漏电可能会增加,关断软度会变差,相关的设计、短路耐量都是挑战。从理论上看IGBT的性能,市场上现在已经做到很好了,虽然离极限还是有一些距离,但个人感觉在此基础上突破已经很困难了,每前进一步都要付出更多的心血。下一步的突破可能要从封装上入手了。

IGBT芯片第二个趋势是精细化。在半导体发展的初期划分为两个领域:一个是走精细加工的集成电路领域,一直往更小的尺寸发展下去;另一个是功率器件领域,因为要通过高压大电流,所以尺寸一般比较大。过去人们主要关注器件是否能承受高压大电流,小尺寸并不是非常重要。但随着新的设计理念逐渐深入人心,我们会发现像IGBT、SiC对尺寸加工精细的要求越来越高,加工时会把最新的集成电路的先进技术应用到功率器件中来,也会做一些精细化的工序,这给系统效率的提升带来了非常大的助力。

第三个趋势是把IGBT和二极管做一个集成。在这个方面,日系厂家较为领先,国内的供应商暂时还没有看到可以批量的应用的大功率产品的出现,这是接下来国内行业要努力的方向。由于IGBT在使用的时候,总会有一个反并联的二极管,如果能够集成到一起就能够以更小的面积实现更好的性能。另外比单个IGBT芯片的面积有所增加,热阻会变得更低,会得到较低的一个温升,这样的话模块的体积还能再缩30%,整个控制器里面的驱动板设计可能就有挑战。

第四个趋势是集成化。系统商希望我们研发出的产品集成温度采样和电度采样。一般会在IGBT模块内集成一个NTC的热敏电阻去监控芯片的结温,但NTC的温度采样会有延迟,且和芯片实际结温存在明显的温度差,所以并不能很精确地控制,要考虑很多的冗余。现在有很多产品开始在集成的温度采样有二极管在芯片上,通过检测二极管的VF可以与温度形成线性的关系,因此我们可以很精确并实时测量芯片的结温。此外,引入发射极采样端子,IGBT的电流可分为两个部分,采样部分跟主路的电流成一个比例关系,我们对电阻上的电压进行采样的时候,就能够很精确的监控主电路的电流,甚至在某些领域可以代替电流传感器。

这是比亚迪半导体现在的技术路线,2018年发布了第四代IGBT,也是我们目前在比亚迪全系车上大量搭载的一代产品,表现可谓是非常优异。高密度第五代沟槽IGBT也于今年开始量产,在低压车型上开始搭载,测试的效果还不错。比亚迪半导体今年下半年预计发布第六代产品,性能会有更加明显的提升,大家下半年可以期待一下。

刚才提到在电驱里IGBT的发展和IGBT芯片发展的趋势,IGBT芯片发展到现在能耗进一步降低已经变得非常困难,接下来人们更看好的是SiC。比亚迪在去年推出的“汉”EV的车型上已全面搭载SiC模块。如果考虑电源系统比如OBC,比亚迪从一开始做新能源汽车就在使用SiC。电驱系统于去年开始搭载SiC,是全球第二款采用SiC电驱的量产车型。我们的测试结果显示,整个电控效率基本上提升了5-8%,跟IGBT相比百公里功耗大概降低了0.5度电。目前看来SiC的量产还是具备挑战性,还需在经济性上做进一步评估。但给消费者带来的好处是实实在在的,因为消费者驾驶车的续航里程增加了,电耗也降低了,汽车重量也变得更轻了。

SiC的使用有很多好处,今天会有很多嘉宾来讲这个事情。第一控制器体积会显著的减少,主要得益于频率提升,电驱的功率密度可以提高非常多。这是国际上某一家公司的数据,输出的电力密度从硅到SiC会有一个飞跃。

这是车规功率模块技术的发展路线,包含了模块互连的技术与散热的技术。第一个互连的可靠性,第二个散热,从间接散热到直接散热再到双面散热,得到了有效的提升。这个是互连的技术,从最初的模块铝的绑线到铜的绑线,再到双面散热模块的连接,采用了软件的散热。

谈到封装技术发展不得不提一下低温银烧结。在我司SiC模块中全面使用了银烧结的技术,最直观的优点是器件芯片的温升有了大幅度的降低。我们把SiC模块的最大输出电流,假设当时控制在150度,从大概420A大概提高到了500A。我们用SiC加上银烧结很轻松的输出到500A,保证了汉EV百公里3.9秒的急加速的功能。另外,我必须要提一下,对于SiC,大家经常讲到它的优势,比如说热导率好、散热好,但可能会带来理解上的偏差。因为SiC的芯片面积非常小,同等规格下与IGBT相比,大概只相当于IGBT芯片面积的六分之一到十分之一,即使热导率很高,但在封装里散热很差。在这样的情况下,技术人员需要改善散热能力,银烧结改善SiC散热的问题是非常有效的,能显著提高模块的电流输出能力。

双面散热比较好理解,就是两面同时采用焊接的方式提升散热的效率。大部分功率模块,都在往双面散热方向发展。目前,比亚迪半导体模块产品的发展阶段也是从间接散热到直接散热IGBT再到SiC,最后到超小型双面烧结SiC。其中,直接散热的SiC模块已搭载在去年大量量产的“汉”EV上,今年体积更小的下一代SiC模块会进行装车。

这是应用了比亚迪十分成熟的模块技术的DM系统,即超级DMi技术。插电混动的油耗评测下来,部分车型只有2L多油耗,。这里面使用的正是比亚迪半导体的第四代IGBT芯片技术,测下来电控综合效率高达98.5%。另外,为了匹配DMi架构,我们为整车的模块定制开发了这两个模块,跟整车的DMi系统一起发挥了巨大的优势。

这个是SiC车用功率模块,这是我们的“汉”EV,是国内首款批量搭载SiC模块的车型。今年的车型预计装载下一代的SiC车用模块,上一代模块更多的是直接把原来IGBT的模块替换为SiC,而下一代产品是专为SiC定制开发的专用模块,能够更好的发挥SiC的优势。

比亚迪半导体未来的目标是打造“高效”“智能”“集成”的车规级半导体“协同应用平台”,如今,比亚迪半导体拥有的很多产业技术都对外开放,我们希望以更加开放、合作、共赢的态度去与行业上下游展开合作,。我们既希望能充分竞争,也希望跟客户、竞争对手相互合作。比如,很多竞争对手同时也是我们的供应商。最后,我希望行业更加认可和接受比亚迪半导体;同时,我们也会更加开放地拥抱整个行业。


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