近些年来,新能源汽车逐渐打破人们对它的成见,用其出色的加速性能、静谧连贯的乘驾体验、越来越高的续航里程向消费者证明,新能源汽车才是未来交通出行的趋势。这其中尤其重要的一环来自纯电续航里程的突破。续航里程的提升,一方面靠的是电池容量、电池能量密度等的提升,另一方面是对电路系统中损耗大的器件的优化。

                                                                                   ▲图:新能源汽车上的功率半导体器件
 
什么是功率半导体
功率半导体是给电机分配电压电流的控制器件。功率半导体接收弱电控制信号,指引强电系统对电机输出强电功率,使强电的通断、频率、幅度都服从弱电控制信号,因此其本质是一个起到开关作用的三极管。因其频繁大电流通断,所以发热量大,电能损耗大。其优化的意义重大。
什么是SiC功率半导体
早期功率半导体是纯硅绝缘栅双极晶体管三极管(IGBT)。自1980年代开始研发迭代至今,其性能遇到了瓶颈,且功率损耗也迟迟降不下来。碳化硅(SiC)三极管主要通过减少厚度来缩短S-D电流行程,从而实现低损耗。同时,SiC电子禁带更宽,热效应下溢流可杜绝,使高温下其输出仍然稳定可控。
 
                                                                                        ▲图:SiC较IGBT有较大能效提升
 
根据三菱电机的研究,SiC的功率损耗较IGBT下降了87%。结合功率半导体在整车中的能量损耗占比数据可以得出,仅仅是将IGBT替换为SiC,就可提高整车续航里程10%左右。
 
国产替代
                                                          ▲图:SiC产业上下游
 
我国有一定的功率半导体芯片方面的研发积累,并且不少IGBT厂商已经开始转战SiC。这其中有产销规模大的企业,也有技术先进、知识产权沉淀有特色的企业。
 
比亚迪半导体
                                              ▲图:比亚迪IGBT专利按时间分布,专利反映出其技术与工艺水平
 
比亚迪2005年成立IGBT团队,2008年收购了宁波中纬积体电路,之后,比亚迪开始了IGBT芯片的自主研发。

2007年,比亚迪提出其首个IGBT专利申请。2015年,比亚迪IGBT制程工艺攻克了非穿通型(NPT)技术工艺,

2018年推出车规级IGBT4.0技术,该技术在非穿通型基础上,增加了复合场终止层,并进一步减薄了芯片厚度。在

2018年9月公开的一份专利中,比亚迪提出了深沟槽栅的技术方案;

2019年3月、4月公开的两份专利中,提出了场终止层(电场截止)的技术方案。

2020年5月,比亚迪长沙IGBT工厂动工。该工厂投产后可满足年装车50万辆新能源汽车的产能需求,解决新能源汽车电子核心功率器件供应链稳定性和成本问题。比亚迪在IGBT领域技术虽不是最先进的,但专利布局比较完善,且规模效益显现,投产后可用于比亚迪新能源汽车,也可外销。目前,比亚迪也已研发出SiC MOSFET。

预计到2023年,比亚迪将采用SiC半导体全面替代IGBT半导体,这样的话,整车续航性能在现有基础上可以再提升10%。以汉EV为例,现在的纯电续航为605km,采用SiC半导体续航可达665km左右,超过了一般的燃油车续航。此外,由于SiC体积远小于IGBT,车内乘坐空间和行李空间会增大不少。

基本半导体
基本半导体(BASiC)有限公司是专注于碳化硅(SiC)半导体器件的公司,是深圳青铜剑科技集团下子公司。而青铜剑科技在IGBT领域有着丰富的技术积累。
                                              ▲图:基本半导体所生产的碳化硅MOSFET
 
BMB200120P1 是基本半导体为新能源汽车主逆变器应用推出的车规级全碳化硅功率模块。该模块采用业内主流的单面水冷散热形式,为高效电机控制器设计提供便利。

单模块采用半桥拓扑结构,内部集成两单元 1200V/200A 碳化硅 MOSFET 和碳化硅续流二极管。单模块 200A 的输出电流能力可有效减少逆变器中功率器件数量,降低系统设计难度,提升系统可靠性。基本半导体碳化硅 MOSFET 设计生产工艺在栅极电输入电容、内部寄生电感、热阻等多项参数上达到业内领先水平。

深圳基本半导体有限公司自2017年开始每年都有专利申请,截止2020年11月公开专利31项,一定程度上反映出公司的持续研发能力。

                                                                                  ▲图:基本半导体专利数量统计
 
                                                                                  ▲图:基本半导体专利分布类目
 
基本半导体有限公司的32个专利,涉猎类目集中在物理、电学等基础学科,也广泛涉及了生产环节的各个流程和工艺,有一定的专利壁垒。
 
斯达半导
嘉兴斯达半导体股份有限公司也是做IGBT起家,现正在SiC领域发力。公司目前共有专利136件。已授权专利69件,授权率较高。但是在SiC领域,被驳回的发明专利较多,但这不一定反映其创新能力弱。事实上,恰恰是因为斯达半导SiC方面的专利不是应用层面的,而是涉及基础科学的底层原理层面的。尽管授权率低,斯达仍不断申请此类专利,说明其研发重心确实放在了器件物理特性等较为基础且真正硬核的领域。
 
                                                                                   ▲图:斯达半导专利分布类目
结语

功率半导体国产化替代进程越来越快并且产品力越来越强。消费者很快能享受到新能源汽车续航里程的提升。除了电动汽车,SiC的研发成果还将渗透到轨道交通、电梯、家用电器、电网,从方方面面改善人们生活。前瞻型企业已经加快了SiC基础专利和外围专利的布局。

 

                                                                                           作者:蓝海优利 行业研究员 刘欣然
                                                                                                           未经许可 不得转载
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