汽车电动化进程背后的半导体技术

导读： 受益于政策支持及销售补助，预计全球及中国新能源电动车销量的复合年增长率将达到32％，这将带动相关半导体，电子产业链的快速发展，汽车作为拉动半导体产业发展的三驾马车之一绝非虚言。

        ＂未来几年，电动汽车的销量增速有望超过50％，2017年全球电动车销量超过122万辆，同比增长了58％。2018年，电动车销量明显提速，1～4月，全球电动车销售达到43．55万辆，较去年同期增长了68．18％，销量呈现出加速增长的态势。受益于政策支持及销售补助，预计全球及中国新能源电动车销量的复合年增长率将达到32％，这将带动相关半导体，电子产业链的快速发展，汽车作为拉动半导体产业发展的三驾马车之一绝非虚言。作为全球汽车产业转型升级的标志，新能源汽车颠覆传统燃油车，将电动化、智能化、网联化叠加融合已成大势。＂

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        汽车电动化的独特特征

        ①电动机可分散配置控制。发动机的小型化很难，再加上燃料供给以及冷却排气系统等，一台汽车搭载多个发动机是不可能的，但是电动机可以做到很小，甚至小到可以装进车轮中，能量的供给只要电缆的配线没有问题就行，因此分散配置动力成为可能。

        ②可准确把握路面状况。因为电动机一直检测电流值，因此可以精确的追踪在车轮上发生的转矩，但在发动机的情况下，转矩和消耗燃料的关系不一定是圆滑的图形，这种测定是不可能的。

        ③通过运动控制可提高汽车经济性。当汽车轮胎与路面贴合旋转方向时，实际上有相当程度的空转，遗憾的是一般驾驶者很难体会到这种感觉，空转会导致实际车速和车轮速度是存在一定差距。

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        功率半导体需求增加

        新能源汽车新增半导体用量中大部分是功率半导体。在传统汽车中，功率半导体主要应用在启动与发电、安全等领域，占传统汽车半导体总量的20％，单车价值约为60美元。

        由于新能源汽车普遍采用高压电路，当电池输出高电压时，需要频繁进行电压变换，这时电压转换电路（DC－DC）用量大幅提升，此外，还需要大量的DC－AC逆变器、变压器、换流器等，这些对IGBT、MOSFET、二极管等半导体器件的需求量也有大幅增加。

        IGBT快速增长

        功率半导体是电动车成本占比仅次于电池的第二大核心零部件。新能源电动车动力产生和传输过程与汽油发动机有较大差异，需要频繁进行电压变换和直流－交流转换。加之纯电动车对续航里程的高需求，使得电能管理需求更精细化，这些对IGBT、MOSFET、二极管等功率分立器件的需求远高于传统汽车。

        作为新兴功率器件，IGBT在汽车需求的带动下，将出现爆发式增长。随着新能源汽车的普及，IGBT作为重要的功率器件，受到了广泛的关注。IGBT模块在电动汽车中发挥着至关重要的作用，是电动汽车及充电桩等设备的核心部件。

        碳化硅的突然激增

        随着电动汽车以及其他系统的增长，碳化硅（SiC）功率半导体市场正在经历需求的突然激增，但需求也导致市场上基于SiC的器件供应紧张，促使一些供应商在棘手的晶圆尺寸过渡期间增加晶圆厂产能。一些SiC器件制造商正从4英寸晶圆过渡到6英寸晶圆。

        SiCMOSFET比IGBT具有更快的切换速度。它还降低了开关损耗，同时降低了中低功率水平下的传导损耗。它们的工作频率是IGBT的四倍。由于更小的无源元件和更少的外部元件，因此可以减小重量、尺寸和成本。

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        电池技术决定电动汽车上限

        作为电动汽车最重要的核心动力，目前日本、美国和欧洲正在全力研发新一代固态电池，具有成为动力电池主流技术的潜质和前景。

        而自2008年锂离子动力电池应用于电动汽车到今天已经超过10年，实际装车产品的能量密度提高了2．5倍，实现了动力电池领域百年来革命性的突破。

        下一代电机驱动关键技术

        下一代电驱动产品特征应该是以集成化、模块化、定制化、新材料和新工艺的应用达到整车对电机驱动系统高效、高功率密度、高可靠和低成本的要求，电机系统则要在器件、模块，包括电磁兼容、功能安全、健康管理、下一代宽禁带半导体技术等方面来进行攻关。

        传感器和执行器的计算要做更深一步的性能提高，才能促进产业发展。控制器的主芯片单片机除了需要有更高的计算功能外，还需要提供更高的价值。价值在哪里？传统电机驱动，在逆变器中有解码芯片，芯片能读取电机转速与位置。新一代的单片机自含硬件模块，DS－ADC能够代替旋变解码芯片，集成在单片机之内，节省部分成本，功能完全满足需求。

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        半导体新材料有望替代现有材料

        2018年5月名古屋大学教授天野浩利用为他赢得诺贝尔奖的研究成果——蓝色发光二极管（LED）成功研发出节能效果出众的半导体材料。目前已经找到了将这一材料应用于空调等家电产品的办法。天野教授还与丰田汽车工业公司和电装公司等民间企业合作，力争在两年内降低成本并投入实际使用。

        一旦制造成本降至百分之一以下，这种新产品就有望替代使用硅和碳化硅制造的现有功率半导体。功率半导体材料不仅可以用于家电，在研发竞争激烈的电动汽车领域也备受期待。

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        总结

        电动汽车普及，首先冲击的还是传统汽车制造商。消费者转向电动汽车之后，对燃油汽车的需求就会减少，直接影响到传统汽车厂商的营收。当然，如果传统汽车厂商先于消费者向电动汽车转型，在制造燃油汽车的同时也开始制造电动汽车，电动汽车营收的增加，还能减轻燃油汽车营收下降的冲击。

        电动汽车的普及，则会加速汽车半导体产业的发展，同传统的燃油汽车相比，电动汽车在半导体元器件方面的花费，是传统燃油汽车的2到3倍，电动汽车的普及毫无疑问会加速汽车半导体行业的发展，使其成为电动汽车普及的一大赢家。