2022中国汽车论坛｜施洪亮：禁带器件在新能源汽车应用中的机遇与挑战

2022年11月8日-10日，由中国汽车工业协会主办的第12届中国汽车论坛在上海嘉定举办。作为党的“二十大”召开后的汽车行业首场盛会，本届论坛以“聚力行稳 蓄势新程”为主题，共设置“1场闭门峰会+1个大会论坛+16个主题论坛”，以汽车产业的高质量发展为主线，与行业精英一起贯彻新精神，研判新形势，共商新举措。其中，在11月9日下午举办的“主题论坛3：汽车、芯片融合发展”上，湖南三安半导体碳化硅应用专家施洪亮发表精彩演讲。

以下内容为现场演讲实录：

大家下午好，我最后一个压力比较大，到饭点了，所以我加快一些速度。

我今天主要分享的题目是，我们湖南三安半导体作为宽禁带设计制造的厂家，对于宽禁带应用给新能源汽车所带来的，刚才Sebastian Mueller先生讲到的是机遇，我想讲的机遇是差不多的，我今天更多讲一下挑战。

我的报告主要分为以下四个部分，第一部分快速的过了，就不再展开来讲了。第二部分和第三部分我会重点讲一下，第四部分跟大家分享一下。

第一部分：

新能源汽车市场发展速度大家可以看到是非常快的，而且预计在2030年中国会成为全球最大的市场。

这是市场渗透率的预测（如PPT所示），关于市场这一块大家的预测都是一样的，包括主机厂、芯片、自动驾驶的同时心理预期都是一样的，这部分就快速过。

这一部分我想跟大家重点讲一下，关于宽禁带器件应用特性的优势，我想这样的故事大家已经听到很多了，就是SiC器件应用给系统带来的好处，这一部分Sebastian Mueller已经讲过了，宽禁带器件如碳化硅、氮化镓在这部分应用是最多的，氮化镓主要用在OBC和DC-DC，湖南三安半导体也在做GaN的功率器件。有人说碳化硅的电驱不够吸引人，你们用氮化镓能不能做牵引电驱？这样功率密度更高？我的回答是近十年或者更长的时间是是不太可能的，因为氮化镓主要是低压器件，虽然可以用多电平实现高压的应用，但是氮化镓器件最大的问题是没有短路能力，这导致氮化镓用来做牵引电驱几乎是不太可能的，所以我今天把介绍的重点放在碳化硅功率器件方面。

这部分是国外的宽禁带半导体厂家和各大电动车整车制造商、零部件供应商以及各大研究机构之间的合作关系图，可以看出来他们和各大汽车巨头，包括大众、三菱、特斯拉、沃尔沃等等之间的合作非常紧密，我们可以看到在现在的“电动化”时代最大的变化是什么？我想说博世在传统汽车时代作为汽车零部件供应商巨头非常成功，但是在“电动化”的现在和未来可能会有面临非常大的挑战，现在几乎所有的主机厂我在跟他们老板和技术人员交流的时候，他们都表示：我们不可能像以前内燃车时代一样买一个配件就能开发出最适合该款车型的牵引电驱，或者我买一个功率半导体买一个电驱就能达到系统最优，用户体验最优。为什么？我们可以看到现在的主机厂更愿意做的事情是和我们半导体厂家深度合作，在产品开发需求定义的时候就需要参与进来，很多汽车厂家希望根据自己企业的车型市场定位、用户体验、技术特色订制功率模块，而不是直接够买功率模块。甚至他们参与了很多投资，直接投资碳化硅芯片设计、和模块制造封装的企业，可以看到国外在这方面已经走到很深入了，国内这方面也有很多造车新势力提前布局了。

在右边可以看到，我们的器件厂家、半导体厂家，像英飞凌、博世等等，他们和EV的厂家深度合作，已经不是原来传统汽车时代博世电子像这种零部件巨头提供零部件给整车厂的生意模式了，所以“电动化”时代必须是“宽禁带器件厂家”和“整车制造厂家”进行深度合作才能迎来双赢的局面。

这个图我不仔细讲了，Sebastian Mueller先生已经讲过了，这幅图的逻辑是碳化硅材料特性导致应用特性的优势，最后带来的结果：开关频率的提升带来系统尺寸减小，功率密度带来提升，直接结果是：同等电池包的前提下带来续航里程的提升。

碳化硅和硅的主要不同是：硅的开关速度很慢，开关的波形很干净，但是下面的碳化硅器件用起来确实是好，因为开关速度更快，所以频率可以更高，但是它同时也带来很多的挑战，需要大家一起来合作进行解决。。

这些问题是主机厂比较担心的，高dv/dt带来的电机绝缘问题怎么办？，那么高的开关速度，会给电机的绝缘材料带来巨大的挑战，因为电压从400伏到800伏，以后甚至会有更高的电压，绝缘问题、材料问题、局放问题，电机端部电腐蚀问题怎么解决？ 

最后是EMI的问题，也是需要功率器件厂家和主机厂一起来紧密合作，从器件端到系统应用端进行解决。

所以主机厂他们一方面想用碳化硅，但是另一方面他们对于这些问题也有很多顾虑，所以刚才Sebastian Mueller先生也提到，像大众在传统汽车时代是特别大的公司，但是他们对碳化硅在牵引电驱里面的应用是有相当的保留态度的，不同的汽车制造厂家对这个事情机遇与挑战的认识是不太一样的，这里面最大的原因是大家对于SiC功率器件在电动车中的应用所带来的的“机遇”和“挑战”的认识也不是完全一致的，我认为这是非常正常的现象但是，从湖南三安半导体作为碳化硅器件制造厂家的角度来看，我们自己、我们正在合作和即将合作的客户以及我们的投资人，大家都是非常看好这个行业长期的成长性的，尽管面临诸多挑战，但是在这些挑战中必将迎来更大的机遇。

这是我们湖南三安半导体在做这个行业时候总结出来的一些我们目前看到的，以及我们自己的一些思考。我有时候跟主机厂的领导和客户交流，他们对我们推出器件的速度、对模块的封装和对我们推出新产品的进度并不是十分满意，他们觉得你这个模块怎么可以选择的封装和种类这么少，在这里我要讲一下为什么？回应一下广大客户对湖南三安的关切和期待

首先碳化硅的器件可靠性有一个还没有完全解决的问题，就是门级域值电压有漂移的问题，在高电压、高温度等恶劣工况下下长期运行缺乏大量的可靠性数据积累。跟IGBT比起来，，IGBT已经非常成熟了，积累了大量的运行数据，IGBT从晶圆、芯片、分立器件到功率模块已经非常成熟了，可靠性不存在问题，而SiC器件在这一块还存在很多挑战。 

在高压器件的可靠性问题和高压器件芯片和模块封装，还有非常多的挑战，我们三安储备了很多技术人才，我们对芯片设计研发、模块封装研发、器件系统应用等方面的核心人才团队建设都进行了提前布局。湖南三安半导体长沙的应用实验室围绕这些关键的问题进行重点突破，采购专门的机台，重点解决这些问题。我们的长期目标是：在尽最大努力提供高质量碳化硅器件的同时也希望给客户提供“全方位”的技术服务。

还有就是碳化硅衬底目前处于严重短缺状态，据预测未来十年甚至更长时间可能都跟不上市场快速增长的需求了。碳化硅确实有很多机会，但是依然有很多的挑战需要大家一起来努力解决。。

GaN缺陷的问题，晶圆缺陷高，在高压器件制造方面有很多的难题，但是氮化镓在600伏级或者900伏级以下在OBC领域有很好的应用，比如说安克充电器是非常好的体验，但是快充主要集中在200瓦以下。如果想用氮化镓做几十kW的高压电力电子变换器，其实还存在非常多的挑战。 

我们把这些问题放出来就是希望能够有机会和大家一起解决。

未来应该有应用需求驱动，器件厂家和汽车厂家一起合作，这个问题才能解决，我们不能等着这个问题别人解决了我们再去做，这个时候已经晚了。

第三部分在电动汽车领域是非常重要的，关于宽禁带的牵引逆变器。

牵引逆变器是最重要的汽车唯一动力，是汽车的心脏，有五个方面非常重要：

1.功率模块

功率模块一定要低损耗、低寄生电感、低热阻。

2.母排

低寄生电感、回路面积小的母排。 

3.支撑电容

DC-Link电容在这里面占了非常大的体积和成本，如果这个东西出问题整个系统也是不能正常工作的。

4.智能驱动

我想这个事情仅仅依靠半导体厂家是做不到的，我想和像地平线、恩智浦、芯驰这样的企业一起来合作，这个事情我会重点讲一下，特别有意思。

5.高集成度问题

这是碳化硅汽车电驱功率拓扑图，从原来的分立器件到后面二合一到最后的all in one IGBT模块，它也是从单颗到两颗到六颗越来越集成，跟恩智浦不断走向集成的思路也是差不多的。

这一部分三安半导体有专门的专家在做，因为我们觉得这个事情对主机厂来说非常的重要，这些多物理场，流场、电磁场、热场，是多物理场耦合的，是非常难解决的问题，我们怎么通过优化母排，让均流的特性更好、器件长期运行可靠性更高这是很大的挑战。

这一部分可以从这个图里很明显的看出来，任何电驱都有DC-Link的电容，这个东西非常庞大，现在有新的技术就是用陶瓷电容，这正好是和“集中”相反的思路，采用分布式多电容并联去取代单一的大电容。

以前大家都喜欢集中多合一，但是这是分布式的。为什么？这是一颗大的电容，如果坏了整个系统就完蛋了，怎么办？现在已经有一些新的技术，，用PCB板陶瓷电容来代替膜电容，这样寄生电感可以减小，其中如果某个小的出了一点问题，OK的，是开路的模式。所以这也是未来技术比较关键的部分。 

关于“智能驱动”我要重点讲一下这个，这个东西很有意思，本来功率半导体和信息处理的芯片是分开的，我们是功率半导体，跟芯片处理信息差异性很大，但是现在这个东西要融合到一起，驱动电路是连接功率电路和控制电路非常重要的一个部件，原来传统的是导通、关断电阻是固定的，这在碳化硅时代是不能发挥碳化硅器件的最大优势的，碳化硅开通时间在几十个到几百个纳秒之间，我可以通过高速的氮化镓分段控制、，提供不同的驱动电阻，可以让开关损耗和关断的尖峰电压同时达到最优，还把系统的损耗降下来，而且几乎不增加什么成本。

这已经是研究很多了，这还不是最核心的是功率模块这一部分。

我们以前传统的功率变换器电力电子这些东西，比如说牵引电驱，就在那工作，至于它的健康状态，它什么时候可能会坏，是没有数据出来的，你给我一个电池电压我输出的就是正弦波，我把电机转起来推动车辆前进或者后退，但是作为一个电动汽车的动力心脏，它很多的数据是没有采集的，或者采集之后我不知道送给谁，也不知道这些数据如果进行“智能诊断”，对我们电动车的“动力心脏”-牵引电驱进行智能诊断。。

如果我们功率器件厂家和地平线或者恩智浦这样的企业合作，我们把一些电力电子变换器的关键数据传送给你们，我们提供接口给你们，我们一起合作，如果做出“智能电驱”，如果我们能够做到对用户的电动车的动力心脏每隔一段时间进行“智能诊断”，提前把一些风险主动告知用户或者整车厂家，让电动车的动力心脏变得更加“聪明”，这将是一个巨大的提升和进步。我认为，对于电动车车主而言，“安全性需求”永远是排在第一位的，而“牵引电驱安全”是汽车安全性的最重要的一部分。 

比如说我平时90公里每小时的时候，上海的温度是知道的，路上的温度我也知道，功率模块运行的表面温度也是知道的，如果正常工况下这个东西都是健康的时候，比如说我这个温度是110度，我今天只有60公里每小时，如果这时候“智能驱动”诊断系统发出预警信息，其中一个功率模块温度异常，经过诊断，可能存在功率模块失效的问题，这时候就可以提醒车主要进行主动降速甚至是停车送到维修店进行全面的检查，我想地平线完全可以通过他的芯片和他的感知系统，可以做一套算法，能够把我们动力的心脏诊断出来，加上电力电子判断的机理，如果我们给用户提供这样智能驱动，包括EMI、故障诊断、温度等等，其实我们不需要实时，我们只需要几天做一次诊断就可以，能够第一步做到这样就已经很吸引人了。

我们做这个事情目前是超出用户的需求，他们会非常开心，主机厂会非常开心，因为你作为一个电动汽车的心脏你没有任何诊断，你的好坏完全依赖于它在那跑，你不能发出提前的预知，我认为这是未来可以做的事情，但是需要和芯片的厂家、自动驾驶的厂家，我们把数据采集来，采集之后送给谁，我们去积累，让功率模块和系统处于健康的状态，这个事情有很大的空间可以做。

这一部分是高集成度的设计，因为电驱是所有厂家最关注的东西，它为什么这么复杂？主要是物理场太多了，电磁场、流体、热场、传动、结构，这几部分很多都是耦合在一起的，你不可能单独考虑。

所以两个三合一要升级为六合一，功率拓扑集成和控制电路集成需要芯片厂家和我们一起合作，我们把数据变成有用的事情，怎么做这个事情未来有很多的空间和提升。

湖南三安在这方面的布局，湖南三安总投资160个亿，10个月建成到投产，第一条线，在这也邀请大家到湖南亲自考察交流，从这边到那边是长晶、外延、芯片、封测都在湖南三安完成，总长度1.2公里左右。所以我们是全产业链的模式，后面二期工程预计2024年完工。

碳化硅二极管三安已经在国内有很大的市场了，目前主要是供给OBC和光伏领域。大家可以看到碳化硅二极管国产器件起来非常快，成本飞速下降。

这是比较有意思的，湖南三安专注功率半导体的器件制造，很多时候我们作为器件厂家做出来的东西如果没有充分考虑客户应用需求的话客户是不想用的，这就像我要吃一个苹果你却给我送来一个梨。为了解决这个问题，湖南三安半导体在人才招聘和研发团队组建方面老板充分考虑了这几个部分，首先考虑我们做半导体肯定有材料，我们从材料、器件到系统应用端再往上走的话都是比较有经验的人做这个事情。

右边的图（如PPT所示），现在碳化硅的模块不可能是我给你一个器件你自己用、自己设计，用户不接受这样的模式，怎么办？我们从底层的材料、电路拓扑到系统性能参数，我们从右边出发，给大家再一个Starting point角度，充分考量，因为我们知道我们自己做的器件安全的工作区(SOA)应该在什么范围，所以我们在这个范围内尽可能把边界给大家摸清楚。

所以我们在材料、拓扑包括磁芯结构优化设计，一直到上面怎么对接到需求、电路拓扑，到最顶上比如说寿命模型成本怎样迭代。整个全部做下来希望给主机厂订制你们真正需要的东西，而不是就是给你卖一个器件，我们希望给用户提供整套的解决方案。

后面，我们希望能够和像地平线这样的企业一起把整个电驱健康管理做起来，这样的话用户是非常动心的。现在的电驱都是没有这些东西的。

接下来我们给大家展示一个客户案例，我们给该客户做了一个分析，后逆变器的故障导致客户大批量的召回，他会在车辆行驶的过程中有可能失去动力，这是非常危险的。我们团队进行了分析，对它器件的FA，对器件的并联均流，我们发现最有可能有问题的是从器件的制造，栅氧层在高温、高电压应力下长期运行的时候会出现老化，域值电压会有漂移。 

最后碳化硅MOS反并联体二极管不太稳定，可能在前期生命周期前面不会体现出来，但是在后面体现出来的话会导致振荡失效，我们老板比较关注这个事情，要求我们针对性分析一下， 

我们团队分下下来发现可以按照这个思路把问题打开、呈现给客户、大家一起来想办法解决问题。

我们知道很多的半导体公司，比如说芯片在德国，封装在马来西亚，器件卖到中国，整个一大圈下来中间哪一个客户应用端出了问题，到底是器件的问题还是封装的问题，需要来回转圈圈，沟通成本非常高，导致效率很低。

我们的客户也跟我们讲，国外有些供应商确实实力很强，但是一旦他的产品出了问题的时候，你让他分析，给一个失效分析报告，那真的太痛苦了，因为涉及到很多扯皮的事情，但是我在湖南三安我们就要把这个问题在一个房间解决，各个负责人都在一起，我们怎么解决这个问题。这也是我们未来希望解决的问题，提高用户的极致体验。 

这是我讲的系统级应用方案我们是怎么解决的，所以我们主要从功率芯片到分立器件、功率模块、变换器、应用控制、样机开发、试验数据，我们作为国产功率半导体碳化硅的厂家，我们希望用户能够缩短开发时间，我们帮他们提前发现问题，解决在内部避免他们产品大规模召回，这是我们想出来可能未来比较有帮助的方式。

谢谢大家。

 （注：本文根据现场速记整理，未经演讲嘉宾审阅）