研究周報

研究周報 | 解析新能源汽車的底層建筑：汽車電子元器件

第一電動大牛作者朱玉龍 2017-10-25 09:26

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

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推進，未來電子電氣類部件的應用場景也正是這兩條脈絡。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的差異性；而功率承載方面，則需要能在足夠范圍內支撐配置的差異性：（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，這個在此不詳細論述，在談及汽車電子ECU模塊的發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

當前汽車的功率半導體是從工業電子器件演化而來，經過汽車級認證后的電子元器件（車廠默認的準入條件）作為車規級產品有著更好、更可靠性的性能，而工業通用功率電子器件已經跟不上日新月異的新能源汽車的發展需求了。可以說，汽車芯片設計已經走過了初期的“將就用”的階段，進入了精細化設計時期。

圖1 汽車電動化的趨勢使得汽車應用會形成獨特的需求

2. 功率電子設計需要與汽車平臺化設計需求相結合

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

功率電子器件在慢慢與需求同步發展和改變，這樣可以明顯降低開發成本和周期。針對寬功率平臺，前期開發可以使用一個版本的高性能產品，做到100~150Kw；
后續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行有限的調整即可；
面對未來前驅和四驅版本的不同需求，還有特斯拉等的“瘋狂模式”，功率層級也要做出相應的調整。

3. 智能化和功能安全設計要求的滲入

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

在IGBT內部增加溫度傳感器，當系統可能出故障時，能夠做出初步判斷，再結合應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；
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，這個時候需要降低功率器件開關速度，保護開關電路安全，在電池電壓處在合適范圍時，功率器件能做最高效的開關動作；

圖2 以逆變器為例示功率電子的設計需求

在功率電子拓撲定型的情況下，整個功率電子的設計過程中，最核心的工作是選擇和匹配功率開關管和功率二極管的特性，這些主要器件特性包括：導通損耗（或導通電阻）、開關損耗、反向漏電流和反向恢復時間、反向耐壓、溫度特性。

在相應的功能特性協同方面，功率開關管和功率二極管的導通損耗和開關損耗越小、反向漏電流和反向恢復時間越小，開關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和充電機的基本拓撲

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，這些處在較高負荷下面的功率電子部件就首當其沖地面臨壽命的挑戰。所以，在器件選型開始就要保證系統的可靠性和耐久性，通過綜合的系統設計（通過工況來優化控制邏輯降低器件負荷）來優化功率器件的選型并降低成本；在不同工作條件下調整電氣參數設計，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 從芯片到產品風險和現場失效縱覽

4. 汽車功率電子開發的幾個重要動向

（1）技術的持續進步

現有車用控制器普遍采用硅芯片，經過20多年的技術開發已經十分成熟，在許多方面已逼近甚至達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的性質介于金剛石與硅之間，具有高熱導率、高硬度、耐化學腐蝕、耐高溫、對光波透明等優良性質，。當SiC作為功率元件應用于逆變器時，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一步減少對液冷散熱的需求；
SiC 器件可以進一步提高總線電壓。

與以往的Si半導體相比，SiC半導體具有低損耗、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，已經廣泛應用于光伏發電和鐵路車輛等行業。碳化硅器件更適合高頻、高壓和高溫的工作環境、車載充電器和充電樁使用碳化硅器件后將充分發揮高頻、高溫和高壓三方面的優勢，可實現充電系統高效化、小型化和高可靠性。

目前，新能源汽車行業在最難突破的逆變器領域已經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公司在2015年9月宣布開發出了全SiC功率模塊以及采用這種模塊的HEV/EV用逆變器，與日立的原產品相比，新產品的電力損耗削減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逆變器的開發案例

（2）芯片與PCB（Printed Circuit Board）的整合

如下圖所示，隨著技術的發展延伸， “芯片=》PCB=》部件=》子系統”之間的界限不斷模糊。隨著功率嵌入式產品的發展，特別是下述工藝層的改進和融合，過程中發展起來的新型功率嵌入式系統，在設計開發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
若材料不匹配會引起額外的機械應力
更高的芯片溫度，污染水平，濕度影響，整個防護變得薄弱了

圖5 嵌入式功率電子（芯片與PCB的整合）

（3）功率半導體的整合

市場上功率電子企業紛紛采取大舉投資研發、產品多元化以及收購等策略。由于新能源汽車產業是國家級的戰略選擇，中國半導體不僅在芯片領域投資方興未艾，在功率電子這種新能源汽車產業關鍵部件開發方面的態度尤其積極（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封裝領域，上汽與英飛凌也建立了合資公司。