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功率电子器件供需强劲 汽车电子如何“接棒”消费电子?
发布时间:2017-10-18        浏览次数:118        返回列表
      当智能手机等消费类电子市场趋于平缓之后,汽车电子成为了电子产业关注的下一个热点。从2016年的业界主要的几家半导体厂商的年报中就可以看出,比如在2016年,恩智浦半导体的汽车电子产品营收为33.79亿美元,占了其公司总营收的35.6%,英飞凌2016年的主要营收也来自于汽车电子,占了其总营收的41%;意法半导体的营收大头是由汽车和分立器件产品部提供的,占了其总体营收的40.34%......

       而且,目前各大半导体厂商都在积极布局,例如在消费类电子市场呼风唤雨的高通通过并购恩智浦半导体的方式进军汽车电子市场;台湾的联发科技(MediaTek)在2016年12月初宣布进入日益成长的汽车电子市场;也有公司为了维护其市场地位,进行了一些战略性并购,像安森美并购了Fairchild,以补足其在中、高压功率器件上的不足;瑞萨则通过收购Intersil巩固其在汽车电子市场的地位。

       不论汽车电子是否会真正“接棒”消费类电子市场,可以预见的是汽车产业正在向智能化、电子化等方向发展,据统计汽车电子在整车成本中的占比正不断增加,紧凑型车中占了15%、中高档轿车中占约28%、混合动力车中更占到47%、纯电动轿车中则占65%,在智能化、电子化的大趋势下,这将会给整个半导体市场带来新的活力和新的增长点。本文主要讨论汽车电子中的功率电子器件目前的现状,未来的发展方向,以及可能会遇到的挑战和应对策略。

功率电子器件在汽车中的发展趋势

       随着汽车智能化、电子化的程度越来越高,对传感器、MCU、ECU、IGBT,以及BMS等芯片的需求越来越大。无疑在这些芯片中,功率电子器件的是占绝对大头的,那未来功率电子器件在汽车中会呈现怎样的发展趋势呢?
    “我觉得会有四个主要的发展趋势,那就是高可靠性、高集成度、大功率化和可生产性。” 东芝电子(中国)有限公司技术部副高级经理刘文鑫表示。
       英飞凌新能源汽车电力电子应用工程师何耀华认可刘文鑫的判断,不过他还着重补充了下面几点。
       一是将来会出现专用的汽车级功率电子器件。他解释说,虽然汽车级认证的电子元器件是车厂默认的准入条件,通过汽车级认证的产品有着更高的可靠性和性能,但是为工业应用设计的通用功率电子器件,已经跟不上日新月异的新能源汽车的发展需求了,设计已经走过初期的“将就用”的阶段,精细化设计已经成为了趋势和必然。
      二是平台化设计。典型的汽车电子系统开发耗时2到3年,如果后续有更新的需求,推倒重头开始开发,需要消耗大量开发成本和时间。如果功率电子器件能实现平台化,可以明显降低开发成本和周期。何耀华拿英飞凌的Hybridpack drive家族产品举例说,“针对70Kw~150Kw平台,前期开发可以使用Hybridpack drive pinfin版本的高性能产品,做到90Kw~150Kw,后续如有70Kw~90Kw需求,只需要把功率模块更换为Hybridpack drive flat,无需更改电路和软件。”
      三是智能化和功能安全设计。功率电子传统意义上是一个被动的执行器件,接收指令后动作。何耀华认为,将来的趋势是不仅简单的接收指令,还有部分判断和保护功能,“例如在IGBT内部增加电流和温度传感器,当系统可能出故障时,能做初步的判断,可以首先尝试降低车辆输出扭矩和速度,而不是直接关闭。在电池电压偏高,降低功率器件开关速度,保护开关电路安全,在电池电压正常时,做最高效开关动作。”功率器件的智能化,可以让电子控制系统达到更高安全等级。

给半导体厂商带来的挑战

      汽车应用不同于传统工业驱动应用需求,何耀华举例说,“大型水电站的发电机和输配电的电力变换器的最重要特性是高可靠性和高性能,因为单台价值高,数量少,元器件成本稍高也可以接受。但汽车应用作为大规模量产的高端工业消费品,终端客户是个人,需要更好地控制终端售价,因此,对元器件成本提出了更高的要求。”
      虽然成本要严格控制,但最为安全相关产品,可靠性却不能有半点降低。低成本和高可靠性是相互矛盾的,这个功率半导体厂商提出了更高的要求。
      对此,安森美半导体中国解决方案工程中心(SEC)高级经理陈立烽深有同感,“功率电子器件的可靠性、能效和性价比就是功率半导体厂商面临的挑战。”以新能源汽车电机逆变系统为例,为了增加续航里程,逆变器就需要非常高的效率。同时,器件也应确保在高温、大电流条件下工作时的高可靠性。
      除了这些,东芝电子的刘文鑫认为,对于功率半导体厂商来说,车载半导体材料的研发、工艺的改进,以及生产质量控制等方面也是一个比较大的挑战。

应对策略

      面对这些挑战,不同的功率半导体厂商有不同的应对的策略,有的改进其生产工艺、有的使用新材料,也有的通过改变封装来应对。
      据安森美半导体的陈立烽介绍,为了保证大电流,高功率的功率器件的高可靠性,在器件层面,安森美半导体专注于新技术以减少功率器件的导通损耗和寄生参数,从而提高能效和增强系统可靠性,此外,他们还大量投资于新的先进的封装设计,如TO-Leadless (TOLL)、4引脚TO-247、DSC(双面冷却)等。相较传统的封装,这些新的封装具有更低的热阻、更小的寄生参数和可靠的结构设计,可满足汽车应用的关键要求。
      他同时强调,安森美半导体所有这些器件都通过AEC认证的严格测试,如高温反向偏置(HTRB)、动力循环等。陈立烽还特意提到,“我们的制造和质量控制流程,也满足业界可靠性和耐用性的需要。”
      东芝则通过功率半导体的晶圆工艺及封装类型的不断革新来应对挑战。其低导通阻抗(UMOS9代)、高散热封装(铜连接、DSOP双面散热)、高集成度等特性可帮助客户实现大功率负载控制器的小型化设计。
      对于英飞凌的应对策略,何耀华提到了四点。
      一是,持续更新产品线,提供更有力的竞争产品。他举例说,在国内广泛应用的针对120Kw到150Kw逆变器用的功率半导体模块Hybridpack2,英飞凌推出的更新版本的产品:HybirdPack drive,通过优化晶圆性能和内部封装设计,在保持输出功率不变的情况下,降低了30%体积,也就是提高了30%的功率密度,因为使用了更少的晶圆和降低了散热器面积,市场竞争力也大幅提升。
      二是优化半导体工艺,降低成本。在多数半导体厂家还在用8英寸晶圆来生产IGBT晶片时,英飞凌是业界少数几个采用12寸晶圆的半导体厂家,通过提高晶片切割的利用效率,降低IGBT晶片的成本,12英寸晶圆意味每盘待切割的晶圆数量更多,对良品率的控制要求更高,如何提高生产良品率也是英飞凌核心的竞争力。
      三是定制针对汽车应用的IGBT晶圆。之前IGBT晶圆设计主要输入来源是工业应用,例如650V和1200V的IGBT分别针对220V 和380V的交流整流输出。英飞凌针对汽车应用另起炉灶,针对144V的中混,336V到500V的高压强混和纯电动车,推出了400V和750V的晶圆,其中型号为EDT2的晶片,有着业界最高的产品性能,相对之前产品提高了20%的性能,使得更紧凑的设计成为了可能。当然所有晶片都能满足汽车级认证的各相严苛条件。
      四是大规模持续供货能力和质量保证。英飞凌在德国瓦尔斯泰因有2条全自动化产线,专门生产针对汽车级的功率电子IGBT模块,能保证足够的产能。全自动化产线,也完全避免了人为错误带来的影响。各种齐全的生产质量控制体系,及出厂产品都经过100%覆盖的测试,将出厂产品的失效率降到最低。
      他同时还提到,汽车级设计和认证体系是保证其产品高可靠性的保证。何耀华拿最新的HybridPack drive IGBT模块举例,“该模块从设计概念,到产品从产线生产,经历了3年时间,其中18个月是做可靠性验证研发,可靠性验证研发的主要工作是,用各种极限测试做加速老化验证,例如其中一个测试叫做温度循环测试,需要将IGBT模块从50度在5秒内加热到150度,经历60,000次而不出现寿命衰减,震动测试的标准也从5g提高到了20g,还能在短时间内(11毫秒)承受50g的冲击。同时,在2008年生产的HybridPack1模块,在车辆运行200,000公里后,拆解逆变器后将功率模块送到英飞凌做分析,基本完好无损,能通过出厂测试流程。”

给汽车工程师的建议

     在英飞凌的何耀华看来,汽车电子工程师在挑选功率电子器件时,需要关注以下技术特性。
     首先,无容置疑的是需要选择通过汽车级认证的功率电子器件,从器件选型开始就要保证系统的可靠性;
     其次,通过综合的系统设计来优化功率器件的选型和降低成本。例如通过配合系统设计和工况设计,根据车辆运行工况优化控制软件,降低功率器件的需求 ,提高系统性能和降低成本;
     三是,电气参数的设计和选型。这需要考虑极限工作状况下电气参数的影响,并通过仿真和实验验证。
     最后一点也是最重要的可靠性设计。需要做失效分析和耐久试验。
     他的建议是在设计之初就考虑可靠性和寿命,通过仿真和实验验证,而且需要合理设计可靠性参数,应避免过高设计余量带来过高的成本。
     安森美的陈立烽则建议,工程师挑选功率电子器件时,首要考量的是电气性能,包括导通和开关性能、安全工作区(SOA)等。虽然业界有很多新技术和新器件。例如,氮化镓(GaN) MOSFET具有更低的开关损耗,但工程师更应关注该新器件的驱动器技术。
      另一个需要评估的因素是寄生参数,因为这将导致对器件额外的应力,和影响EMI性能。
      此外,工程师还应关注热设计和系统结构。因为在汽车应用中,工作条件非常恶劣,所以工程师应考虑所有条件以确保系统能在最坏的情况下工作。
    “工程师应根据系统的设计要求,对功率器件的过电流能力、温升参数及开关噪声等细节方面需要事先计算和评估,以避免后期方案的测试遇到重大的技术困难。”东芝的刘文鑫这样对工程师建议。
       他拿为新能源汽车选择功率电子器件举例,与传统汽车相比,新能源汽车的能源效率和行驶里程的问题更为突出,因此,在选择器件时,不但要关注器件的性能和可靠性,更要对器件的静态功耗、低工作电压,以及单位重量等参数严格把关。