近日，英飞凌受邀参与是德科技主办的一场有关新能源汽车功率半导体产品和测试技术相关的网络研讨会直播，讲述了英飞凌在车用功率半导体方面的产品布局、新技术研发，并分享了基于不同技术（如碳化硅或SI）的功率半导体的市场现状和趋势。同时，在问答环节，英飞凌也就客户提出的常见技术问题进行了解答。
了解更多详情，请查看直播回放：https://videos.infineon-autoeco.com/pc/page/detail/1187
以下是文字版整理
英飞凌对新能源车用功率半导体技术和市场的解读
高金萍 英飞凌科技大中华区 汽车电子事业部 市场经理
大家好，我是高金萍，来自英飞凌。很荣幸受邀参加今天的交流与直播活动，借此机会与大家分享英飞凌对新能源汽车的市场的看法以及英飞凌车用半导体技术方面的布局和发展。
今天的主题是新能源汽车。为什么现在全球都在关注新能源市场? 因为我们有非常严峻的节能减排目标。全球各国的叫法虽然不同，但是都明确提出了降低每公里CO2排放克数的需求。以要求最严苛的欧盟来看，当前的传统内燃机的平均排放量约121gCO2/km， 到了2020年，新的欧盟标准（WLTP）要求执行到95gCO2, 而到了2025年，需要进一步降低到85gCO2/km，甚至到2030年，要达到59gCO2。这也是为什么近两年，欧洲汽车电动化进程加快的主要原因。为了达到节能减排指标的要求，就会有不同的技术路线，比如现在传统动力的节能减排，包括48V弱混，强混，再到插电混动汽车，纯电动汽车以及燃料电池汽车。
接下来我会主要介绍新能源车用半导体的可应用场景以及英飞凌的发展方向。
首先，看一看电动车里面有哪些应用需要用到功率半导体。功率半导体应用主要分三类：第一类是主逆变器，就是直接驱动马达、大功率，这里面主要用到大功率的IGBT模块；第二类是和充电相关的应用，比如车载充电器(OBC)、直流电压换器（DC/DC）。第三类是辅助类的应用，这里面包括了PTC加热器、空调压缩机、水泵、油泵等，这里面主要用的是IGBT分立封装的解决方案。
针对这三类应用给出了相应的主流器件和功率等级的范围，大家可以看到这里面的趋势。如果我们现在看，从前道晶圆的角度来说，硅的解决方案300V以下还是MOSFET， 600V以上是IGBT。而第三代半导体的解决方案，特别是碳化硅，已经逐渐开始在主逆变器、OBC、DC/DC、压缩机里面开始应用了。
众所周知， 主逆变器作为新能源电驱系统的三大核心部件之一，是目前各大车厂和一级供应商关注的重点，所以今天我们也主要关注这个应用的发展状况。
对于半导体应用到主逆变器的解决方案来讲，用到的半导体芯片按照功能可以分成几个部分，首先是逆变器的大脑，中枢控制系统，那么必不可少的器件就是单片机了。英飞凌AURIX?32位单片机是为汽车专门开发的单片机产品。其次，控制器需要两个助手，一个是传感部分，就是要把各种物理信号转变成电信号，比如温度、压力、雷达、图像。 另外一个就是驱动部分，实现低压到高压，弱电到强电的转换，把控制信号转换成可以驱动主功率器件的预驱信号以及相应的电源辅助系统。最后，最最重要的也就是我们的核心功率器件了，也是我们今天汇报的重点。英飞凌是少数能够提供汽车电子完整解决方案的半导体公司。
功率半导体方面，英飞凌从前道的晶圆，到后道的各种封装都有部署，我们会提供晶圆，分立器件，半桥，以及全桥等不同的封装结构给客户。为什么会有这么多封装呢？一方面呢，是由于不同的使用场景来决定的。 以主逆变器应用为例子：我们看到分立器件是业界比较成熟的，用在功率比较小的应用，A00、A0级的电动车用得比较多。 大功率的车则会更适合使用三相全桥模块。双面水冷的模块，也是以后业界的一个趋势，双面水冷具备更好的散热性，能提高功率密度，比较适合在空间要求比较小，比如混合动力汽车的应用。英飞凌还有Easy封装的半桥模块，给用户提供更灵活的解决方案。另一方面，我们把选择权交给客户，以便于客户可以依据自己的规划，选择适合的器件。
接下来，我们就刚刚提到的主要组成部件，给大家做具体的汇报。首先是大家最为关注的功率半导体部分，主要会从硅/碳化硅两个部分进行介绍。英飞凌认为，一直到2025年，硅都将占主导地位。而随着碳化硅技术的发展，到2025年，大概20%的市场会使用碳化硅的方案，考虑到新能源车的量将会越来越多，所以这个市场是非常可观的。
英飞凌在硅产品上的部署，包括大家比较熟悉的HP1/HP2以及HP1 DC6系列。
英飞凌的HP1/2系列, 2020年有新的DC6系列成员DC6i（FS650）面市，最大可输出100kW左右，这样HP1产品系列覆盖的功率段可达到30~100kW。
2019年，英飞凌成功把HybridPACKTM Drive系列的产品推向了市场。该产品系列主要定位在中高功率，除了目前主流的750V的电压等级，我们也推出了1200V的首款HybridPACKTM Drive产品。进一步提升了系统的功率密度，和覆盖了更宽更管的电压和功率范围，以适应未来高压化的发展趋势。
功率器件的封装方面，未来的几个趋势在于产品组合易延展、热性能提升、减少寄生电感、以及更高的集成度。产品组合的易延展性是很重要的，这可以帮助开发者更快速简单的设计配套的系统方案，而无需改变系统的设计就能实现不同的系统功率的需求，比如散热器或者水冷系统。我们推向市场的四个HybridPACKTM Drive系列的产品， 里面的晶圆都是一样的，而如果把模块拆开来看，就可以看出，在封装上我们使用不同的外壳连接器, 陶瓷板和底基板组合来实现不同的性能需求。以方便用户端可以实现平台化设计，节省研发时间，适应新能源的快速变化的应用场景。
接下来给大家介绍一下碳化硅，即下一代功率半导体：
英飞凌早在上个世纪90年代就开始了碳化硅技术的研究工作，在这条道路上积累了超过25年的实际应用经验。
目前业内比较关心的是，碳化硅和硅相比，有哪些技术优势？首先是功率密度的提高：汽车里面空间是非常小的，所以功率密度的提高是以后的发展趋势，碳化硅器件的特性可以不仅使功率半导体的封装相比较硅的方案做得更小，而且使与功率器件配套的无源器件和散热器都做得更小。其次是系统效率的提高：比如说在主逆变器里面，和硅基（IGBT）模块相比，使用碳化硅模块可提高大概3~5%的系统效率，那对于整车厂来说，就有两个选择：第一，用相同的电池容量，续航里程可以提高3~5%；第二，如果设计相同的续航里程，电池容量可以减3~5%。比如某款新能源车型需要80度的电池，3~5%就是3~4度电，目前按照每度电大概人民币700-1000元来算的话，节约下来的成本还是比较可观的，当然这里面还要考虑到碳化硅模块会比硅基模块贵一些，以后这个平衡点怎么找，是碳化硅模块什么时候进入市场的关键。最后，碳化硅还有一个重要的优势，就是非常适合高压的应用。我们看到一些主流车厂已经把车的电池电压提高到了800V，一方面系统效率可以得到进一步的提升，达到7~10%，能够带来的系统的优势会更加明显，同时为以后的高压直流充电技术提供的可能性。所以高压1200V碳化硅的技术应用会更有优势。
这里讲的碳化硅这么多优点，大家可能会想为什么现在的碳化硅只有2%、3%的市场份额？我们来看下面我们总结的碳化硅产业链成功的四个因素：衬底、器件、产品组合、系统。
第一，衬底和晶圆。碳化硅晶圆的生长比硅慢一些，碳化硅比较硬，切割稍微困难一点。比较重要的是，目前碳化硅主流的晶圆尺寸还是6寸，而硅已经到了12寸。这是什么概念？如果一片6寸的晶圆能切割成100个裸片，那放到8寸相同的尺寸的裸片就可以有180个，放到12寸那就是405个，而晶圆尺寸从小变大造成的成本增加小于对应的裸片数量的增长，这样每一个裸片的成本随着晶圆尺寸的增长而下降。我们预计碳化硅的模块在2022、2023年以后会是慢慢起量的一个时间点。第二， 器件，英飞凌使用了业界领先的基于沟槽的结构，能够在不牺牲可靠性的基础上，更好地提升碳化硅产品的性能。第三，就是我们刚刚讲到的，多样的封装技术，提供更多的可能性。第四，系统层面，为了配合碳化硅技术的发展，需要其他产品在系统层面的配合，比如更高性能的AURIX?系列单片机，比如更高ASIL等级以及开关频率的预驱产品。 以上几个因素需要紧密配合，才能取得更大的成果。
除了车用功率半导体自身的技术发展，汽车的电动化进程还需要其他芯片的配合，比如说用来感知的传感器芯片，用来计算和控制的微控制器，用来供电的电源管理芯片，通信芯片以及保障信息安全的安全芯片等等。英飞凌拥有广泛的产品组合来助力汽车电气化的发展。 下面主要介绍一下我们的驱动和单片机控制芯片
英飞凌的预驱芯片主要分为隔离的驱动芯片，适用于主逆变器驱动单元以及PTC驱动单元，另外英飞凌还有基于Level-shift技术的AUIR 系列，主要适用OBC，DCDC以及HVAC等应用。目前，我们正在设计下一代专门针对碳化硅的预驱动芯片。
单片机： 英飞凌的车用32位AURIXTM微控制器能和功率半导体一起提供系统级达到ASIL-D功能安全的解决方案。TriCore?是英飞凌在1999年开发的架构，集成数字信号处理、RISC精简指令集单片机、和微控制器三个不同功能到一个模块里面。TriCore?每隔两三年就会做功能改进，每代单片机产品都有不同的面向汽车的需求，像TC2主要面向汽车上电子电气架构。新能源出现之后，有VCU或者更高功能的需求，我们走了多核的路线。TC3系列是向域控制架构，我们推出了最多达到6核的单片机，满足域控制这一层级的运算能力要求。从2005-2019年第一季度，包括TriCore?和AURIX?，我们的出货量超过5亿。已经有5亿个产品装到车上在跑，这个架构充分得到汽车市场的认可，全球有超过50个汽车品牌在用我们这个系列的单片机。
最后我们需要讲的是生产和质量。新能源汽车在快速发展的过程中，产能是非常重要的，另外，如何在产能的快速扩张过程中，保证质量，是重中之重。
零质量缺陷，一直是英飞凌追求的目标。为了实现产能和供应链安全，英飞凌在所有的前道和后道的工厂设置了多冗余配置，更好地满足全球新能源市场的需求。此外，我们加大了产线的优化和投入，目前将失效率降低到了ppb的级别。
我们希望，以英飞凌高质量的产品、持续创新的技术、本土化的服务，与业界同仁携手，为新能源汽车市场推波助澜。
针对客户常见问题的解答
耿旭旭 英飞凌科技大中华区汽车电子事业部 高级应用工程师
1， IGBT作为新能源电机驱动，电流能达到多大?
回答：决定电流能力的主要因素是热，即IGBT结温不超过数据手册（datasheet）中限值的情况下尽量的输出电流。根据公式ΔT=P*rth可知，热受IGBT损耗和热阻两个因数影响。其中IGBT损耗有导通损耗和开关损耗：导通损耗可以依据数据手册中的导通压降计算；而开关损耗则由实际的开发电路决定，主要影响因数为主回路杂散电感和门极电路，可以通过优化这两个因素减小开关损耗。热阻则通过优化散热系统来实现，英飞凌的HP Drive产品系列采用的是Pinfin的散热结构，能最优化地减小热阻，实现更大功率输出。
2， IGBT作为新能源电机驱动，如何保护电机卡机空烧？
这个问题更多要从逆变器系统级别考虑。IGBT作为电机控制器中的主要器件，在电机堵转时主要考虑的还是热，只是此时IGBT的损耗计算方式不同于正常工作时的计算方式。电机堵转时，逆变器可以近似为降压式变换（buck）电路，此时IGBT的开关损耗计算方式不变，导通损耗可以使用PIGBT_cond=[rT(T)*Ipk+VCE0(T)]*Ipk*Duty 和 PDiode_cond = [rf(T)*Ipk+Vf0(T)]*Ipk*（1-Duty）来计算。
