2022年11月8日-10日，由中國汽車工業(yè)協(xié)會主辦的第12屆中國汽車論壇在上海嘉定舉辦。本屆論壇以“聚力行穩(wěn) 蓄勢新程”為主題，共設(shè)置“1場閉門峰會+1個(gè)大會論壇+16個(gè)主題論壇”，以汽車產(chǎn)業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展為主線，與行業(yè)精英一起貫徹新精神，研判新形勢，共商新舉措。其中，在11月9日下午舉辦的“主題論壇3：汽車、芯片融合發(fā)展”上，湖南三安半導(dǎo)體碳化硅應(yīng)用專家施洪亮發(fā)表精彩演講。
我的報(bào)告主要分為以下四個(gè)部分，第一部分快速的過了，就不再展開來講了。第二部分和第三部分我會重點(diǎn)講一下，第四部分跟大家分享一下。
第一部分：
新能源汽車市場發(fā)展速度大家可以看到是非常快的，而且預(yù)計(jì)在2030年中國會成為全球最大的市場。
這是市場滲透率的預(yù)測（如PPT所示），關(guān)于市場這一塊大家的預(yù)測都是一樣的，包括主機(jī)廠、芯片、自動駕駛的同時(shí)心理預(yù)期都是一樣的，這部分就快速過。
這一部分我想跟大家重點(diǎn)講一下，關(guān)于寬禁帶器件應(yīng)用特性的優(yōu)勢，我想這樣的故事大家已經(jīng)聽到很多了，就是SiC器件應(yīng)用給系統(tǒng)帶來的好處，這一部分Sebastian Mueller已經(jīng)講過了，寬禁帶器件如碳化硅、氮化鎵在這部分應(yīng)用是最多的，氮化鎵主要用在OBC和DC-DC，湖南三安半導(dǎo)體也在做GaN的功率器件。有人說碳化硅的電驅(qū)不夠吸引人，你們用氮化鎵能不能做牽引電驅(qū)？這樣功率密度更高？我的回答是近十年或者更長的時(shí)間是是不太可能的，因?yàn)榈壷饕堑蛪浩骷m然可以用多電平實(shí)現(xiàn)高壓的應(yīng)用，但是氮化鎵器件最大的問題是沒有短路能力，這導(dǎo)致氮化鎵用來做牽引電驅(qū)幾乎是不太可能的，所以我今天把介紹的重點(diǎn)放在碳化硅功率器件方面。
這部分是國外的寬禁帶半導(dǎo)體廠家和各大電動車整車制造商、零部件供應(yīng)商以及各大研究機(jī)構(gòu)之間的合作關(guān)系圖，可以看出來他們和各大汽車巨頭，包括大眾、三菱、特斯拉、沃爾沃等等之間的合作非常緊密，我們可以看到在現(xiàn)在的“電動化”時(shí)代最大的變化是什么？我想說博世在傳統(tǒng)汽車時(shí)代作為汽車零部件供應(yīng)商巨頭非常成功，但是在“電動化”的現(xiàn)在和未來可能會有面臨非常大的挑戰(zhàn)，現(xiàn)在幾乎所有的主機(jī)廠我在跟他們老板和技術(shù)人員交流的時(shí)候，
他們都表示：我們不可能像以前內(nèi)燃車時(shí)代一樣買一個(gè)配件就能開發(fā)出最適合該款車型的牽引電驅(qū)，或者我買一個(gè)功率半導(dǎo)體買一個(gè)電驅(qū)就能達(dá)到系統(tǒng)最優(yōu)，用戶體驗(yàn)最優(yōu)。為什么？我們可以看到現(xiàn)在的主機(jī)廠更愿意做的事情是和我們半導(dǎo)體廠家深度合作，在產(chǎn)品開發(fā)需求定義的時(shí)候就需要參與進(jìn)來，很多汽車廠家希望根據(jù)自己企業(yè)的車型市場定位、用戶體驗(yàn)、技術(shù)特色訂制功率模塊，而不是直接夠買功率模塊。甚至他們參與了很多投資，直接投資碳化硅芯片設(shè)計(jì)、和模塊制造封裝的企業(yè)，可以看到國外在這方面已經(jīng)走到很深入了，國內(nèi)這方面也有很多造車新勢力提前布局了。
他們都表示：我們不可能像以前內(nèi)燃車時(shí)代一樣買一個(gè)配件就能開發(fā)出最適合該款車型的牽引電驅(qū)，或者我買一個(gè)功率半導(dǎo)體買一個(gè)電驅(qū)就能達(dá)到系統(tǒng)最優(yōu)，用戶體驗(yàn)最優(yōu)。為什么？我們可以看到現(xiàn)在的主機(jī)廠更愿意做的事情是和我們半導(dǎo)體廠家深度合作，在產(chǎn)品開發(fā)需求定義的時(shí)候就需要參與進(jìn)來，很多汽車廠家希望根據(jù)自己企業(yè)的車型市場定位、用戶體驗(yàn)、技術(shù)特色訂制功率模塊，而不是直接夠買功率模塊。甚至他們參與了很多投資，直接投資碳化硅芯片設(shè)計(jì)、和模塊制造封裝的企業(yè)，可以看到國外在這方面已經(jīng)走到很深入了，國內(nèi)這方面也有很多造車新勢力提前布局了。
在右邊可以看到，我們的器件廠家、半導(dǎo)體廠家，像英飛凌、博世等等，他們和EV的廠家深度合作，已經(jīng)不是原來傳統(tǒng)汽車時(shí)代博世電子像這種零部件巨頭提供零部件給整車廠的生意模式了，所以“電動化”時(shí)代必須是“寬禁帶器件廠家”和“整車制造廠家”進(jìn)行深度合作才能迎來雙贏的局面。
這個(gè)圖我不仔細(xì)講了，Sebastian Mueller先生已經(jīng)講過了，這幅圖的邏輯是碳化硅材料特性導(dǎo)致應(yīng)用特性的優(yōu)勢，最后帶來的結(jié)果：開關(guān)頻率的提升帶來系統(tǒng)尺寸減小，功率密度帶來提升，直接結(jié)果是：同等電池包的前提下帶來續(xù)航里程的提升。
碳化硅和硅的主要不同是：硅的開關(guān)速度很慢，開關(guān)的波形很干凈，但是下面的碳化硅器件用起來確實(shí)是好，因?yàn)殚_關(guān)速度更快，所以頻率可以更高，但是它同時(shí)也帶來很多的挑戰(zhàn)，需要大家一起來合作進(jìn)行解決。。
這些問題是主機(jī)廠比較擔(dān)心的，高dv/dt帶來的電機(jī)絕緣問題怎么辦？，那么高的開關(guān)速度，會給電機(jī)的絕緣材料帶來巨大的挑戰(zhàn)，因?yàn)殡妷簭?00伏到800伏，以后甚至?xí)懈叩碾妷海^緣問題、材料問題、局放問題，電機(jī)端部電腐蝕問題怎么解決？
最后是EMI的問題，也是需要功率器件廠家和主機(jī)廠一起來緊密合作，從器件端到系統(tǒng)應(yīng)用端進(jìn)行解決。
所以主機(jī)廠他們一方面想用碳化硅，但是另一方面他們對于這些問題也有很多顧慮，所以剛才Sebastian Mueller先生也提到，像大眾在傳統(tǒng)汽車時(shí)代是特別大的公司，但是他們對碳化硅在牽引電驅(qū)里面的應(yīng)用是有相當(dāng)?shù)谋Ａ魬B(tài)度的，不同的汽車制造廠家對這個(gè)事情機(jī)遇與挑戰(zhàn)的認(rèn)識是不太一樣的，這里面最大的原因是大家對于SiC功率器件在電動車中的應(yīng)用所帶來的的“機(jī)遇”和“挑戰(zhàn)”的認(rèn)識也不是完全一致的，我認(rèn)為這是非常正常的現(xiàn)象但是，從湖南三安半導(dǎo)體作為碳化硅器件制造廠家的角度來看，我們自己、我們正在合作和即將合作的客戶以及我們的投資人，大家都是非常看好這個(gè)行業(yè)長期的成長性的，盡管面臨諸多挑戰(zhàn)，但是在這些挑戰(zhàn)中必將迎來更大的機(jī)遇。
這是我們湖南三安半導(dǎo)體在做這個(gè)行業(yè)時(shí)候總結(jié)出來的一些我們目前看到的，以及我們自己的一些思考。我有時(shí)候跟主機(jī)廠的領(lǐng)導(dǎo)和客戶交流，他們對我們推出器件的速度、對模塊的封裝和對我們推出新產(chǎn)品的進(jìn)度并不是十分滿意，他們覺得你這個(gè)模塊怎么可以選擇的封裝和種類這么少，在這里我要講一下為什么？回應(yīng)一下廣大客戶對湖南三安的關(guān)切和期待
首先碳化硅的器件可靠性有一個(gè)還沒有完全解決的問題，就是門級域值電壓有漂移的問題，在高電壓、高溫度等惡劣工況下下長期運(yùn)行缺乏大量的可靠性數(shù)據(jù)積累。跟IGBT比起來，，IGBT已經(jīng)非常成熟了，積累了大量的運(yùn)行數(shù)據(jù)，IGBT從晶圓、芯片、分立器件到功率模塊已經(jīng)非常成熟了，可靠性不存在問題，而SiC器件在這一塊還存在很多挑戰(zhàn)。
在高壓器件的可靠性問題和高壓器件芯片和模塊封裝，還有非常多的挑戰(zhàn)，我們?nèi)矁淞撕芏嗉夹g(shù)人才，我們對芯片設(shè)計(jì)研發(fā)、模塊封裝研發(fā)、器件系統(tǒng)應(yīng)用等方面的核心人才團(tuán)隊(duì)建設(shè)都進(jìn)行了提前布局。湖南三安半導(dǎo)體長沙的應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室圍繞這些關(guān)鍵的問題進(jìn)行重點(diǎn)突破，采購專門的機(jī)臺，重點(diǎn)解決這些問題。我們的長期目標(biāo)是：在盡最大努力提供高質(zhì)量碳化硅器件的同時(shí)也希望給客戶提供“全方位”的技術(shù)服務(wù)。
還有就是碳化硅襯底目前處于嚴(yán)重短缺狀態(tài)，據(jù)預(yù)測未來十年甚至更長時(shí)間可能都跟不上市場快速增長的需求了。碳化硅確實(shí)有很多機(jī)會，但是依然有很多的挑戰(zhàn)需要大家一起來努力解決。。
GaN缺陷的問題，晶圓缺陷高，在高壓器件制造方面有很多的難題，但是氮化鎵在600伏級或者900伏級以下在OBC領(lǐng)域有很好的應(yīng)用，比如說安克充電器是非常好的體驗(yàn)，但是快充主要集中在200瓦以下。如果想用氮化鎵做幾十kW的高壓電力電子變換器，其實(shí)還存在非常多的挑戰(zhàn)。
我們把這些問題放出來就是希望能夠有機(jī)會和大家一起解決。
未來應(yīng)該有應(yīng)用需求驅(qū)動，器件廠家和汽車廠家一起合作，這個(gè)問題才能解決，我們不能等著這個(gè)問題別人解決了我們再去做，這個(gè)時(shí)候已經(jīng)晚了。
第三部分在電動汽車領(lǐng)域是非常重要的，關(guān)于寬禁帶的牽引逆變器。
牽引逆變器是最重要的汽車唯一動力，是汽車的心臟，有五個(gè)方面非常重要：
1.功率模塊
功率模塊一定要低損耗、低寄生電感、低熱阻。
2.母排
低寄生電感、回路面積小的母排。
3.支撐電容
DC-Link電容在這里面占了非常大的體積和成本，如果這個(gè)東西出問題整個(gè)系統(tǒng)也是不能正常工作的。
4.智能驅(qū)動
我想這個(gè)事情僅僅依靠半導(dǎo)體廠家是做不到的，我想和像地平線、恩智浦、芯馳這樣的企業(yè)一起來合作，這個(gè)事情我會重點(diǎn)講一下，特別有意思。
5.高集成度問題
這是碳化硅汽車電驅(qū)功率拓?fù)鋱D，從原來的分立器件到后面二合一到最后的all in one IGBT模塊，它也是從單顆到兩顆到六顆越來越集成，跟恩智浦不斷走向集成的思路也是差不多的。
這一部分三安半導(dǎo)體有專門的專家在做，因?yàn)槲覀冇X得這個(gè)事情對主機(jī)廠來說非常的重要，這些多物理場，流場、電磁場、熱場，是多物理場耦合的，是非常難解決的問題，我們怎么通過優(yōu)化母排，讓均流的特性更好、器件長期運(yùn)行可靠性更高這是很大的挑戰(zhàn)。
這一部分可以從這個(gè)圖里很明顯的看出來，任何電驅(qū)都有DC-Link的電容，這個(gè)東西非常龐大，現(xiàn)在有新的技術(shù)就是用陶瓷電容，這正好是和“集中”相反的思路，采用分布式多電容并聯(lián)去取代單一的大電容。
以前大家都喜歡集中多合一，但是這是分布式的。為什么？這是一顆大的電容，如果壞了整個(gè)系統(tǒng)就完蛋了，怎么辦？現(xiàn)在已經(jīng)有一些新的技術(shù)，，用PCB板陶瓷電容來代替膜電容，這樣寄生電感可以減小，其中如果某個(gè)小的出了一點(diǎn)問題，OK的，是開路的模式。所以這也是未來技術(shù)比較關(guān)鍵的部分。
關(guān)于“智能驅(qū)動”我要重點(diǎn)講一下這個(gè)，這個(gè)東西很有意思，本來功率半導(dǎo)體和信息處理的芯片是分開的，我們是功率半導(dǎo)體，跟芯片處理信息差異性很大，但是現(xiàn)在這個(gè)東西要融合到一起，驅(qū)動電路是連接功率電路和控制電路非常重要的一個(gè)部件，原來傳統(tǒng)的是導(dǎo)通、關(guān)斷電阻是固定的，這在碳化硅時(shí)代是不能發(fā)揮碳化硅器件的最大優(yōu)勢的，碳化硅開通時(shí)間在幾十個(gè)到幾百個(gè)納秒之間，我可以通過高速的氮化鎵分段控制、，提供不同的驅(qū)動電阻，可以讓開關(guān)損耗和關(guān)斷的尖峰電壓同時(shí)達(dá)到最優(yōu)，還把系統(tǒng)的損耗降下來，而且?guī)缀醪辉黾邮裁闯杀尽?/div>
這已經(jīng)是研究很多了，這還不是最核心的是功率模塊這一部分。
我們以前傳統(tǒng)的功率變換器電力電子這些東西，比如說牽引電驅(qū)，就在那工作，至于它的健康狀態(tài)，它什么時(shí)候可能會壞，是沒有數(shù)據(jù)出來的，你給我一個(gè)電池電壓我輸出的就是正弦波，我把電機(jī)轉(zhuǎn)起來推動車輛前進(jìn)或者后退，但是作為一個(gè)電動汽車的動力心臟，它很多的數(shù)據(jù)是沒有采集的，或者采集之后我不知道送給誰，也不知道這些數(shù)據(jù)如果進(jìn)行“智能診斷”，對我們電動車的“動力心臟”-牽引電驅(qū)進(jìn)行智能診斷。。
如果我們功率器件廠家和地平線或者恩智浦這樣的企業(yè)合作，我們把一些電力電子變換器的關(guān)鍵數(shù)據(jù)傳送給你們，我們提供接口給你們，我們一起合作，如果做出“智能電驅(qū)”，如果我們能夠做到對用戶的電動車的動力心臟每隔一段時(shí)間進(jìn)行“智能診斷”，提前把一些風(fēng)險(xiǎn)主動告知用戶或者整車廠家，讓電動車的動力心臟變得更加“聰明”，這將是一個(gè)巨大的提升和進(jìn)步。我認(rèn)為，對于電動車車主而言，“安全性需求”永遠(yuǎn)是排在第一位的，而“牽引電驅(qū)安全”是汽車安全性的最重要的一部分。
比如說我平時(shí)90公里每小時(shí)的時(shí)候，上海的溫度是知道的，路上的溫度我也知道，功率模塊運(yùn)行的表面溫度也是知道的，如果正常工況下這個(gè)東西都是健康的時(shí)候，比如說我這個(gè)溫度是110度，我今天只有60公里每小時(shí)，如果這時(shí)候“智能驅(qū)動”診斷系統(tǒng)發(fā)出預(yù)警信息，其中一個(gè)功率模塊溫度異常，經(jīng)過診斷，可能存在功率模塊失效的問題，這時(shí)候就可以提醒車主要進(jìn)行主動降速甚至是停車送到維修店進(jìn)行全面的檢查，我想地平線完全可以通過他的芯片和他的感知系統(tǒng)，可以做一套算法，能夠把我們動力的心臟診斷出來，加上電力電子判斷的機(jī)理，如果我們給用戶提供這樣智能驅(qū)動，包括EMI、故障診斷、溫度等等，其實(shí)我們不需要實(shí)時(shí)，我們只需要幾天做一次診斷就可以，能夠第一步做到這樣就已經(jīng)很吸引人了。
我們做這個(gè)事情目前是超出用戶的需求，他們會非常開心，主機(jī)廠會非常開心，因?yàn)槟阕鳛橐粋�(gè)電動汽車的心臟你沒有任何診斷，你的好壞完全依賴于它在那跑，你不能發(fā)出提前的預(yù)知，我認(rèn)為這是未來可以做的事情，但是需要和芯片的廠家、自動駕駛的廠家，我們把數(shù)據(jù)采集來，采集之后送給誰，我們?nèi)シe累，讓功率模塊和系統(tǒng)處于健康的狀態(tài)，這個(gè)事情有很大的空間可以做。
這一部分是高集成度的設(shè)計(jì)，因?yàn)殡婒?qū)是所有廠家最關(guān)注的東西，它為什么這么復(fù)雜？主要是物理場太多了，電磁場、流體、熱場、傳動、結(jié)構(gòu)，這幾部分很多都是耦合在一起的，你不可能單獨(dú)考慮。
所以兩個(gè)三合一要升級為六合一，功率拓?fù)浼珊涂刂齐娐芳尚枰酒瑥S家和我們一起合作，我們把數(shù)據(jù)變成有用的事情，怎么做這個(gè)事情未來有很多的空間和提升。
湖南三安在這方面的布局，湖南三安總投資160個(gè)億，10個(gè)月建成到投產(chǎn)，第一條線，在這也邀請大家到湖南親自考察交流，從這邊到那邊是長晶、外延、芯片、封測都在湖南三安完成，總長度1.2公里左右。所以我們是全產(chǎn)業(yè)鏈的模式，后面二期工程預(yù)計(jì)2024年完工。
碳化硅二極管三安已經(jīng)在國內(nèi)有很大的市場了，目前主要是供給OBC和光伏領(lǐng)域。大家可以看到碳化硅二極管國產(chǎn)器件起來非常快，成本飛速下降。
這是比較有意思的，湖南三安專注功率半導(dǎo)體的器件制造，很多時(shí)候我們作為器件廠家做出來的東西如果沒有充分考慮客戶應(yīng)用需求的話客戶是不想用的，這就像我要吃一個(gè)蘋果你卻給我送來一個(gè)梨。為了解決這個(gè)問題，湖南三安半導(dǎo)體在人才招聘和研發(fā)團(tuán)隊(duì)組建方面老板充分考慮了這幾個(gè)部分，首先考慮我們做半導(dǎo)體肯定有材料，我們從材料、器件到系統(tǒng)應(yīng)用端再往上走的話都是比較有經(jīng)驗(yàn)的人做這個(gè)事情。
右邊的圖（如PPT所示），現(xiàn)在碳化硅的模塊不可能是我給你一個(gè)器件你自己用、自己設(shè)計(jì)，用戶不接受這樣的模式，怎么辦？我們從底層的材料、電路拓?fù)涞较到y(tǒng)性能參數(shù)，我們從右邊出發(fā)，給大家再一個(gè)Starting point角度，充分考量，因?yàn)槲覀冎牢覀冏约鹤龅钠骷踩墓ぷ鲄^(qū)(SOA)應(yīng)該在什么范圍，所以我們在這個(gè)范圍內(nèi)盡可能把邊界給大家摸清楚。
所以我們在材料、拓?fù)浒ù判窘Y(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，一直到上面怎么對接到需求、電路拓?fù)洌阶铐斏媳热缯f壽命模型成本怎樣迭代。整個(gè)全部做下來希望給主機(jī)廠訂制你們真正需要的東西，而不是就是給你賣一個(gè)器件，我們希望給用戶提供整套的解決方案。
后面，我們希望能夠和像地平線這樣的企業(yè)一起把整個(gè)電驅(qū)健康管理做起來，這樣的話用戶是非常動心的。現(xiàn)在的電驅(qū)都是沒有這些東西的。
接下來我們給大家展示一個(gè)客戶案例，我們給該客戶做了一個(gè)分析，后逆變器的故障導(dǎo)致客戶大批量的召回，他會在車輛行駛的過程中有可能失去動力，這是非常危險(xiǎn)的。我們團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了分析，對它器件的FA，對器件的并聯(lián)均流，我們發(fā)現(xiàn)最有可能有問題的是從器件的制造，柵氧層在高溫、高電壓應(yīng)力下長期運(yùn)行的時(shí)候會出現(xiàn)老化，域值電壓會有漂移。
最后碳化硅MOS反并聯(lián)體二極管不太穩(wěn)定，可能在前期生命周期前面不會體現(xiàn)出來，但是在后面體現(xiàn)出來的話會導(dǎo)致振蕩失效，我們老板比較關(guān)注這個(gè)事情，要求我們針對性分析一下，
我們團(tuán)隊(duì)分下下來發(fā)現(xiàn)可以按照這個(gè)思路把問題打開、呈現(xiàn)給客戶、大家一起來想辦法解決問題。
我們知道很多的半導(dǎo)體公司，比如說芯片在德國，封裝在馬來西亞，器件賣到中國，整個(gè)一大圈下來中間哪一個(gè)客戶應(yīng)用端出了問題，到底是器件的問題還是封裝的問題，需要來回轉(zhuǎn)圈圈，溝通成本非常高，導(dǎo)致效率很低。
我們的客戶也跟我們講，國外有些供應(yīng)商確實(shí)實(shí)力很強(qiáng)，但是一旦他的產(chǎn)品出了問題的時(shí)候，你讓他分析，給一個(gè)失效分析報(bào)告，那真的太痛苦了，因?yàn)樯婕暗胶芏喑镀さ氖虑椋俏以诤先参覀兙鸵堰@個(gè)問題在一個(gè)房間解決，各個(gè)負(fù)責(zé)人都在一起，我們怎么解決這個(gè)問題。這也是我們未來希望解決的問題，提高用戶的極致體驗(yàn)。
這是我講的系統(tǒng)級應(yīng)用方案我們是怎么解決的，所以我們主要從功率芯片到分立器件、功率模塊、變換器、應(yīng)用控制、樣機(jī)開發(fā)、試驗(yàn)數(shù)據(jù)，我們作為國產(chǎn)功率半導(dǎo)體碳化硅的廠家，我們希望用戶能夠縮短開發(fā)時(shí)間，我們幫他們提前發(fā)現(xiàn)問題，解決在內(nèi)部避免他們產(chǎn)品大規(guī)模召回，這是我們想出來可能未來比較有幫助的方式。
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