深圳比亚迪微电子经理吴海平：新能源汽车核心功率器件的应用和产业化

2018年12月7日-8日，以“创新驱动、技术引领”为主题的2018第六届“汽车与环境”创新论坛在上海·安亭正式举办。本次论坛完整覆盖汽车行业技术领域的研讨，旨在进一步促进整车企业与零部件企业之间对技术发展趋势的探讨、加强汽车行业专家之间的交流互动、增强整车与零部件企业的交流、搭建合作平台，通过活动促进汽车零部件产业创新转型升级、打造更具竞争力的整零协同创新关系，助力实现向汽车强国的转变。以下是深圳比亚迪微电子有限公司高级研发经理吴海平在本次论坛上的发言：

近年来，电机和电控国内这块基本上都起来了。不知道大家有没有关注最近比亚迪新正提出核心竞争力——电池和IGBT。IGBT正是电动汽车核心的功率器件。

整个新能源汽车里面无论是插混、纯电还是其他如氢燃料等，都会使用大量的功率器件。比如说这里有一个插电式混动车的架构，可以看一下这里面，电从高压电池出来以后，到达各种用电设备，比如说通过逆变器到驱动电机，到逆变器之前有可能经过DCDC的升压，到低压电池的时候通过DCDC降压。电动汽车的空调跟传统的燃油车是不一样的，燃油车是发动机带动，电动汽车的空调是相当于变频空调。还有电池管理、充电，OBC车载充电器。这些里面都使用到了功率器件，包括这里列出来的如IGBT、MOSFETS等。

能源车的种类比较多的，从轻混、到强混到插电到纯电动，对功率器件的要求是不一样的。我们看一下车上的功率器件，首先看一下电压的情况。从国内汽车的情况来看，纯动车电池电压基本上在300v到400v，比亚迪是500V以上。大部分乘用车基本上使用的是650V的器件多，今年开始使用750V。比亚迪主要使用的是1200V。国际上大家的电池电压已经开始往800V走，这个要解决快充以及效率的问题。将来车载的功率器件电压还是会上升到1200V甚至更高。另外一块是属于低压48V轻混系统，在欧洲可能是个方向，但中国做的好像不是太多，今天上午吉利讲过，他们也在做，但是做的不多，总的来看是这两个趋势，一个是往高压走一个是往低压走，这个趋势是存在的。

从燃油转到纯电动车以后，对功率器件的使用增加了很多。比如比亚迪插全新一代唐，IGBT模块我们用在了三个地方，一个是用在前电机，一个是后电机，另外我们还有一个BSG。这个BSG是用来做发动机启动和发电，将来这也是一个趋势。这三项IGBT模块共用了三个。空调加热在电动汽车里目前主要使用的是用IGBT控制PTC陶瓷发热。在OBC和DC/DC也会用到大量的功率器件，这里主要是碳化硅的MOSFET，这一块大概有十几个到二十个的用量。车载空调会用到一个智能功率模块IPM，家电厂商在变频空调使用的也正是IPM。在汽车这块之前由于竞争和成本的压力，有一些厂家做了分立功率器件方案，但是据我了解售后的反应不是特别好，所以我想最终大家可能还是会坚持走IPM方案。以上大概是整个在电动汽车上的主要功率器件，非常惊人的用量。这个供应问题如果不解决好的话，会限制新能源汽车的发展。

今天大家也提到一个问题，今年整个车市不太好，是在下滑的。但是只有少数几家，像吉利、上汽包括比亚迪都是逆势增长。新能源车今年增长情况依然良好，不过大家提到一个问题就是仍然受到电池产能的限制，其实受功率器件产能限制也是很明显的，而且非常严重。现在国内大部分公司使用的是英飞凌的IGBT模块。他们今年新推出一个电动车专用的HPD模块，据说全中国一个月只有几千个模块的供应量，所以一个厂家能分到的数量很有限，确实限制是很大。其实比亚迪很早就在功率器件这个领域开始布局，从2005年到现在，我们已经建立了一条完整的功率器件的产业链。最上游的功率器件芯片设计是在深圳，晶圆的制造在宁波，然后到功率模块，主要是IGBT模块，设计和封装是在深圳，最后到我们终端的测试应用上，基本上有了一个非常完整的产业链。

我们最初做功率器件也是被逼的，为什么？因为我们做电动车做的比较早，当时在市面上几乎找不到针对电动车的IGBT，基本上都是工业级的IGBT。我们也找过一些厂家去谈定制，基本上都不理，所以当时也是被逼的没有办法才做这个事情。简单看一下我们的发展历程，05年IGBT团队成立，08年的时候我们收购了宁波中玮，09年的时候我们的模块厂正式投厂。最开始芯片是外购的，到2012年的时候我们自己的IGBT芯片大批量量产，到15年我们IGBT模块销售额超过3个亿，到2017年底在汽车上累积出货超过50万支。

我们在做汽车核心功率器件的时候，以IGBT为例，我们一直坚持自主创新，走出自己的一个特色，为什么这么讲？看一下我们IGBT技术的路线。其实我们的IGBT技术最早的时候并不是很先进。IGBT从82年发明以后，英飞凌前身的西门子，后来的英飞凌，一直都是世界上IGBT最顶尖的供应商。他们大概在95年左右推出了一个叫NPT技术。我们在08年开始做IGBT芯片的时候，当时没什么把握，也是从NPT技术开始开发。当时很多人讲这个技术比较落后。实际上NPT技术工艺稳定性很好，具有很好的坚固性，或者说鲁棒性很好，非常适合汽车这种高可靠性要求的领域。我们在这种情况下一直坚持自主研发和创新，去年的时候又新推出了IGBT4.0的技术，后天我们会在宁波正式对外发布。这个技术是基于我们之前的技术发展而来，现在测试的整个特性跟国际主流芯片相比没什么明显的弱点，还是很不错。整体的功耗也好，可靠性也好都有不俗的表现。所以，芯片技术上我们一直坚持走自己的路，自主创新。

此外，支持国产共同成长。在我们产业化的过程中，IGBT供应链很长，国内的功率器件起步又很晚。我们当时在模块产业化的时候，整个封装材料，从DBC陶瓷基板、焊接材料到框架，最开始一些主要材料都是进口的，但在那个过程中我们一直保持跟国内的厂家接触和互动。我们有一个比较成功的案例。在我们开发第二代车用模块时，想把一种性能优异的材料铝碳化硅放进去。铝碳化硅这个材料以前基本上只是使用在高铁和特种上，材料的成本是很高的。我们当时跟国产的供应商一起去改进设计、工艺和测试方法，最后慢慢试产，现在已经大量的量产。

还有一点就是做好应用研究，弄明白深层次的失效机理，为什么这么讲？我们最开始认为做功率器件只是单纯做出一个器件，后面慢慢给汽车开始供货，开始产生很多矛盾。比如说这个东西坏了，大家会扯皮，到底是器件的原因还是应用的原因。而且汽车认证很麻烦，周期很长。在测试的时候遇到一些问题，修改后又要重新预约认证的资源，那些资源很紧张。所以我们自己开发了一套模拟应用测试的东西，建立了一套认证测试标准。比如说我们开发了电感负载的台架，我们采用它对IGBT做极限、温升等测试，在上车之前能够获得大量的数据。基本上我们内部一个应用测试流程走完后，对后面解决问题，对上车的认证提供了很多帮助。

最后是保持对新技术的敏感，研发要有提前量，为什么讲这个事情？我们看一下这几款产品，对电控比较熟悉的朋友可能看到过。这个跟我们国内汽车上的电控看起来很不一样。比如说最上面这个其实是一个小型的双面散热的模块，左下角是丰田的雷克萨斯双面散热模块，在十几年前就已经量产。右下角应该是日本的一个模块，它把散热器跟模块连接在一起。他们每家车厂在自己做的控制器上，其实都有自己的特点。而且这个技术在我们现在看来可能比我们超前几年，但是在他那里，应该十年前就已经把这个技术做好了，只是没有拿出来。等到你看它的车的时候，觉得这个想法很好，然后你再去做的时候就已经过时了。

比亚迪在车用模块的研发上一直走在前面。比如我们第三代双面散热模块，和上面介绍的国外领先技术相同，明年就可以量产，这个可以将热阻降低30%，控制器功率密度提升到35kW/L。模块集成了在片式温度传感器和电流传感器，可以很方便的进行过温和过流保护。

还有一个就是SiC。SiC现在很火，很多车企都在盯这个东西。这个产品的确很好，可以有5%-8%的效率提升。我的理解这个东西之所以火还有国家政策原因。国家现在对SiC的支助力度很大，主要是针对器件。深圳市大概要投20多个亿建立一个第三代半导体研究院来研究碳化硅，要打通SiC的全产业链。很多地方政府现在都在争夺SiC的项目。但是真正使用在汽车电机驱动上的，我们现在看到的应该只有特斯拉。我们公司这个SiC模块今年样品会出来，明年上车，据小道消息会在600km的唐EV上使用。SiC大批量应用最大的障碍应该是成本。原材料这块基本上是占了40%，第二占比较高的是设备和良率，设备降成本的可能性也不会太大，因为设备供应商基本上都是国外的一些厂家，材料的话我觉得倒还有可能。因为中国现在做SiC衬底的厂家已经很多了，如果我们真的扶持这些企业起来的话，我想成本降下来应该还是有希望的。另外就是良率，SiC晶圆在制造的时候它的良率也很低，小一点的芯片70%，大一点的60%，正常的硅器件它的良率基本上都做到95%甚至更高，因此提升良率相对来说也是我们成本降低的很重要的途径。按照刚刚颁布的SiC技术路线图，预计差不多每年能够降10%。上一次我看了一个国外的研究报道，按照它的预测，大概在五年之后能够降低到现在成本的三分之一，所以很有可能在五年之后SiC的器件会大量的在新能源汽车上去使用。