汽車電動化進(jìn)程背后的半導(dǎo)體技術(shù)

＂未來幾年，電動汽車的銷量增速有望超過50％，2017年全球電動車銷量超過122萬輛，同比增長了58％。2018年，電動車銷量明顯提速，1～4月，全球電動車銷售達(dá)到43．55萬輛，較去年同期增長了68．18％，銷量呈現(xiàn)出加速增長的態(tài)勢。受益于政策支持及銷售補助，預(yù)計全球及中國新能源電動車銷量的復(fù)合年增長率將達(dá)到32％，這將帶動相關(guān)半導(dǎo)體，電子產(chǎn)業(yè)鏈的快速發(fā)展，汽車作為拉動半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的三駕馬車之一絕非虛言。作為全球汽車產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級的標(biāo)志，新能源汽車顛覆傳統(tǒng)燃油車，將電動化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化疊加融合已成大勢。＂

汽車電動化的獨特特征

①電動機可分散配置控制。發(fā)動機的小型化很難，再加上燃料供給以及冷卻排氣系統(tǒng)等，一臺汽車搭載多個發(fā)動機是不可能的，但是電動機可以做到很小，甚至小到可以裝進(jìn)車輪中，能量的供給只要電纜的配線沒有問題就行，因此分散配置動力成為可能。

②可準(zhǔn)確把握路面狀況。因為電動機一直檢測電流值，因此可以精確的追蹤在車輪上發(fā)生的轉(zhuǎn)矩，但在發(fā)動機的情況下，轉(zhuǎn)矩和消耗燃料的關(guān)系不一定是圓滑的圖形，這種測定是不可能的。

③通過運動控制可提高汽車經(jīng)濟性。當(dāng)汽車輪胎與路面貼合旋轉(zhuǎn)方向時，實際上有相當(dāng)程度的空轉(zhuǎn)，遺憾的是一般駕駛者很難體會到這種感覺，空轉(zhuǎn)會導(dǎo)致實際車速和車輪速度是存在一定差距。

功率半導(dǎo)體需求增加

新能源汽車新增半導(dǎo)體用量中大部分是功率半導(dǎo)體。在傳統(tǒng)汽車中，功率半導(dǎo)體主要應(yīng)用在啟動與發(fā)電、安全等領(lǐng)域，占傳統(tǒng)汽車半導(dǎo)體總量的20％，單車價值約為60美元。

由于新能源汽車普遍采用高壓電路，當(dāng)電池輸出高電壓時，需要頻繁進(jìn)行電壓變換，這時電壓轉(zhuǎn)換電路（DC－DC）用量大幅提升，此外，還需要大量的DC－AC逆變器、變壓器、換流器等，這些對IGBT、MOSFET、二極管等半導(dǎo)體器件的需求量也有大幅增加。

IGBT快速增長

功率半導(dǎo)體是電動車成本占比僅次于電池的第二大核心零部件。新能源電動車動力產(chǎn)生和傳輸過程與汽油發(fā)動機有較大差異，需要頻繁進(jìn)行電壓變換和直流－交流轉(zhuǎn)換。加之純電動車對續(xù)航里程的高需求，使得電能管理需求更精細(xì)化，這些對IGBT、MOSFET、二極管等功率分立器件的需求遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)汽車。

作為新興功率器件，IGBT在汽車需求的帶動下，將出現(xiàn)爆發(fā)式增長。隨著新能源汽車的普及，IGBT作為重要的功率器件，受到了廣泛的關(guān)注。IGBT模塊在電動汽車中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，是電動汽車及充電樁等設(shè)備的核心部件。

碳化硅的突然激增

隨著電動汽車以及其他系統(tǒng)的增長，碳化硅（SiC）功率半導(dǎo)體市場正在經(jīng)歷需求的突然激增，但需求也導(dǎo)致市場上基于SiC的器件供應(yīng)緊張，促使一些供應(yīng)商在棘手的晶圓尺寸過渡期間增加晶圓廠產(chǎn)能。一些SiC器件制造商正從4英寸晶圓過渡到6英寸晶圓。

SiCMOSFET比IGBT具有更快的切換速度。它還降低了開關(guān)損耗，同時降低了中低功率水平下的傳導(dǎo)損耗。它們的工作頻率是IGBT的四倍。由于更小的無源元件和更少的外部元件，因此可以減小重量、尺寸和成本。

電池技術(shù)決定電動汽車上限

作為電動汽車最重要的核心動力，目前日本、美國和歐洲正在全力研發(fā)新一代固態(tài)電池，具有成為動力電池主流技術(shù)的潛質(zhì)和前景。

而自2008年鋰離子動力電池應(yīng)用于電動汽車到今天已經(jīng)超過10年，實際裝車產(chǎn)品的能量密度提高了2．5倍，實現(xiàn)了動力電池領(lǐng)域百年來革命性的突破。

下一代電機驅(qū)動關(guān)鍵技術(shù)

下一代電驅(qū)動產(chǎn)品特征應(yīng)該是以集成化、模塊化、定制化、新材料和新工藝的應(yīng)用達(dá)到整車對電機驅(qū)動系統(tǒng)高效、高功率密度、高可靠和低成本的要求，電機系統(tǒng)則要在器件、模塊，包括電磁兼容、功能安全、健康管理、下一代寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)等方面來進(jìn)行攻關(guān)。

傳感器和執(zhí)行器的計算要做更深一步的性能提高，才能促進(jìn)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。控制器的主芯片單片機除了需要有更高的計算功能外，還需要提供更高的價值。價值在哪里？傳統(tǒng)電機驅(qū)動，在逆變器中有解碼芯片，芯片能讀取電機轉(zhuǎn)速與位置。新一代的單片機自含硬件模塊，DS－ADC能夠代替旋變解碼芯片，集成在單片機之內(nèi)，節(jié)省部分成本，功能完全滿足需求。

半導(dǎo)體新材料有望替代現(xiàn)有材料

2018年5月名古屋大學(xué)教授天野浩利用為他贏得諾貝爾獎的研究成果——藍(lán)色發(fā)光二極管（LED）成功研發(fā)出節(jié)能效果出眾的半導(dǎo)體材料。目前已經(jīng)找到了將這一材料應(yīng)用于空調(diào)等家電產(chǎn)品的辦法。天野教授還與豐田汽車工業(yè)公司和電裝公司等民間企業(yè)合作，力爭在兩年內(nèi)降低成本并投入實際使用。

一旦制造成本降至百分之一以下，這種新產(chǎn)品就有望替代使用硅和碳化硅制造的現(xiàn)有功率半導(dǎo)體。功率半導(dǎo)體材料不僅可以用于家電，在研發(fā)競爭激烈的電動汽車領(lǐng)域也備受期待。

總結(jié)

電動汽車普及，首先沖擊的還是傳統(tǒng)汽車制造商。消費者轉(zhuǎn)向電動汽車之后，對燃油汽車的需求就會減少，直接影響到傳統(tǒng)汽車廠商的營收。當(dāng)然，如果傳統(tǒng)汽車廠商先于消費者向電動汽車轉(zhuǎn)型，在制造燃油汽車的同時也開始制造電動汽車，電動汽車營收的增加，還能減輕燃油汽車營收下降的沖擊。

電動汽車的普及，則會加速汽車半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，同傳統(tǒng)的燃油汽車相比，電動汽車在半導(dǎo)體元器件方面的花費，是傳統(tǒng)燃油汽車的2到3倍，電動汽車的普及毫無疑問會加速汽車半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展，使其成為電動汽車普及的一大贏家。