本文主要探討在新能源汽車和汽車電子化的深度演進(jìn)過程中，底層汽車電子元器件、部件和系統(tǒng)間不斷耦合和漸進(jìn)的關(guān)系，并從材料層級去思考和探討未來技術(shù)的發(fā)展前景。

表1 功率電子需求

在汽車電氣化中主要按照芯片運算和功率承載兩條脈絡(luò)推進(jìn)，未來電子電氣類部件的應(yīng)用場景也正是這兩條脈絡(luò)。芯片運算方面，面向功能安全和更多集成過程中對于差異化管理的需求，要有一個更大存儲容量和計算能力的芯片來處理未來不同平臺內(nèi)的差異性；而功率承載方面，則需要能在足夠范圍內(nèi)支撐配置的差異性：（備注：計算平臺芯片的選擇也是整個汽車電子ECU的演化過程中重點的一環(huán)，這個在此不詳細(xì)論述，在談及汽車電子ECU模塊的發(fā)展時候單獨拿出來說。）

1.   新能源汽車的需求攀升催生專用的汽車級功率電子器件

當(dāng)前汽車的功率半導(dǎo)體是從工業(yè)電子器件演化而來，經(jīng)過汽車級認(rèn)證后的電子元器件（車廠默認(rèn)的準(zhǔn)入條件）作為車規(guī)級產(chǎn)品有著更好、更可靠性的性能，而工業(yè)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。可以說，汽車芯片設(shè)計已經(jīng)走過了初期的“將就用”的階段，進(jìn)入了精細(xì)化設(shè)計時期。

圖1 汽車電動化的趨勢使得汽車應(yīng)用會形成獨特的需求

2.   功率電子設(shè)計需要與汽車平臺化設(shè)計需求相結(jié)合

汽車電子系統(tǒng)開發(fā)耗時一般要2到3年，如果后續(xù)有更新的需求，在整個設(shè)計周期內(nèi)是沒辦法推倒重新開發(fā)的，這就使得任何折衷的開發(fā)過程都是不可取的，因為這樣不僅犧牲性能，也需要消耗大量開發(fā)成本和時間：

• 功率電子器件在慢慢與需求同步發(fā)展和改變，這樣可以明顯降低開發(fā)成本和周期。針對寬功率平臺，前期開發(fā)可以使用一個版本的高性能產(chǎn)品，做到100~150Kw；

• 后續(xù)往下分解低功率版本（60Kw~100Kw）需求，只需要把功率模塊更換為低性能版本，在電路層級和軟件層級進(jìn)行有限的調(diào)整即可；

• 面對未來前驅(qū)和四驅(qū)版本的不同需求，還有特斯拉等的“瘋狂模式”，功率層級也要做出相應(yīng)的調(diào)整。

3.   智能化和功能安全設(shè)計要求的滲入

功率電子一般而言是被動執(zhí)行的功率器件，在前段通過柵極驅(qū)動器，接收指令后進(jìn)行開關(guān)動作，隨著智能化發(fā)展和功能安全的要求，需要額外增加邏輯判斷和保護(hù)功能：

• 在IGBT內(nèi)部增加溫度傳感器，當(dāng)系統(tǒng)可能出故障時，能夠做出初步判斷，再結(jié)合應(yīng)用可以快速反饋給處理器，嘗試降低車輛輸出扭矩和速度，形成診斷的閉環(huán)；

• 隨著車輛的需求能量越來越大，電池電壓往往處在臨界偏高的狀態(tài)，這個時候需要降低功率器件開關(guān)速度，保護(hù)開關(guān)電路安全，在電池電壓處在合適范圍時，功率器件能做最高效的開關(guān)動作；

圖2 以逆變器為例示功率電子的設(shè)計需求

• 在功率電子拓?fù)涠ㄐ偷那闆r下，整個功率電子的設(shè)計過程中，最核心的工作是選擇和匹配功率開關(guān)管和功率二極管的特性，這些主要器件特性包括：導(dǎo)通損耗（或?qū)娮瑁㈤_關(guān)損耗、反向漏電流和反向恢復(fù)時間、反向耐壓、溫度特性。

在相應(yīng)的功能特性協(xié)同方面，功率開關(guān)管和功率二極管的導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗越小、反向漏電流和反向恢復(fù)時間越小，開關(guān)頻率就可以做的越高，反向耐壓越高，工作電壓選擇就可以越高，功率效率也就越高。

圖3 DCDC和充電機的基本拓?fù)?/p>

隨著電池的耐久性提高，整個功率電子的使用時間也會逐步增加，車輛的電池瓶頸壽命一旦突破10萬公里，這些處在較高負(fù)荷下面的功率電子部件就首當(dāng)其沖地面臨壽命的挑戰(zhàn)。所以，在器件選型開始就要保證系統(tǒng)的可靠性和耐久性，通過綜合的系統(tǒng)設(shè)計（通過工況來優(yōu)化控制邏輯降低器件負(fù)荷）來優(yōu)化功率器件的選型并降低成本；在不同工作條件下調(diào)整電氣參數(shù)設(shè)計，需要考慮極限工作狀況的影響，并通過仿真和實驗驗證，完成失效分析和耐久試驗。

圖4 從芯片到產(chǎn)品風(fēng)險和現(xiàn)場失效縱覽

4.   汽車功率電子開發(fā)的幾個重要動向

（1）技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步

現(xiàn)有車用控制器普遍采用硅芯片，經(jīng)過20多年的技術(shù)開發(fā)已經(jīng)十分成熟，在許多方面已逼近甚至達(dá)到了其材料的本征極限。近幾年，以碳化硅為代表的第三代半導(dǎo)體材料已成為電力電子器件的新寵。

作為碳和硅的化合物，SiC的性質(zhì)介于金剛石與硅之間，具有高熱導(dǎo)率、高硬度、耐化學(xué)腐蝕、耐高溫、對光波透明等優(yōu)良性質(zhì)，。當(dāng)SiC作為功率元件應(yīng)用于逆變器時，具有非常卓越的性能：

• SiC 器件溫度耐受性的提高，使得逆變器可以更集成化；

• SiC 器件可以顯著減少模塊體積；

• SiC 器件的功率損耗可以進(jìn)一步減少對液冷散熱的需求；

• SiC 器件可以進(jìn)一步提高總線電壓。

與以往的Si半導(dǎo)體相比，SiC半導(dǎo)體具有低損耗、高耐壓、高功率及耐高溫工作的特征，采用了SiC二極管和SiC晶體管的全SiC逆變器，效率極高，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于光伏發(fā)電和鐵路車輛等行業(yè)。碳化硅器件更適合高頻、高壓和高溫的工作環(huán)境、車載充電器和充電樁使用碳化硅器件后將充分發(fā)揮高頻、高溫和高壓三方面的優(yōu)勢，可實現(xiàn)充電系統(tǒng)高效化、小型化和高可靠性。

目前，新能源汽車行業(yè)在最難突破的逆變器領(lǐng)域已經(jīng)有一些嘗試性的方案推出，比如日立制作所和日立汽車系統(tǒng)公司在2015年9月宣布開發(fā)出了全SiC功率模塊以及采用這種模塊的HEV/EV用逆變器，與日立的原產(chǎn)品相比，新產(chǎn)品的電力損耗削減60%，相同體積下的電力容量擴大到了約2倍，有助于實現(xiàn)長距離行駛，以及提高加速性能。,更多的案例如下表所示：

表2 幾個SiC逆變器的開發(fā)案例

（2）芯片與PCB（Printed Circuit Board）的整合

如下圖所示，隨著技術(shù)的發(fā)展延伸， “芯片=》PCB=》部件=》子系統(tǒng)”之間的界限不斷模糊。隨著功率嵌入式產(chǎn)品的發(fā)展，特別是下述工藝層的改進(jìn)和融合，過程中發(fā)展起來的新型功率嵌入式系統(tǒng)，在設(shè)計開發(fā)與功能方面帶來了一系列的變化，同時也可以顯著降低部分成本：

• 新的材料和材料接口

• 新的封裝技術(shù)

• 若材料不匹配會引起額外的機械應(yīng)力

• 更高的芯片溫度，污染水平，濕度影響，整個防護(hù)變得薄弱了

圖5 嵌入式功率電子（芯片與PCB的整合）

（3）功率半導(dǎo)體的整合

市場上功率電子企業(yè)紛紛采取大舉投資研發(fā)、產(chǎn)品多元化以及收購等策略。由于新能源汽車產(chǎn)業(yè)是國家級的戰(zhàn)略選擇，中國半導(dǎo)體不僅在芯片領(lǐng)域投資方興未艾，在功率電子這種新能源汽車產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵部件開發(fā)方面的態(tài)度尤其積極（目前中國囊括了全球IGBT市場的三分之一以上），不遺余力地大舉投資，試圖掌握附加價值以及掌控整個功率電子器件的制造鏈。2016年，有兩家中國企業(yè)收購了歐洲晶圓制造商，中國聘請了大量專家，同時自己建立本土晶圓廠試圖在本地制造功率組件。

值得一提的是國內(nèi)汽車廠家對于功率電子的重視，比如比亞迪很早就布局了IGBT封裝領(lǐng)域，上汽與英飛凌也建立了合資公司。

圖6 未來的功率電子芯片產(chǎn)業(yè)注定不會平靜

5.   小結(jié)

功率電子是整個汽車電子化的基礎(chǔ)，也是電動汽車沖量爬坡的限制性因素之一，未來中國芯片產(chǎn)業(yè)如何逐步打破之前的技術(shù)封鎖，將是電子器件、關(guān)鍵零部件和整車全產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)調(diào)發(fā)展的基礎(chǔ)，更是中國新能源汽車產(chǎn)業(yè)能否實現(xiàn)自主創(chuàng)新的關(guān)鍵。

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