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新能源汽车的研发在世界各国如火如荼地进行,技术上则五花八门,诸如生物燃料、醇燃料、混合动力、氢动力、纯电力等等。中国选择全力切入电动车产业,以图实现“弯道超车”,拉近与欧美日韩在传统汽车工业之间的差距。日前,EVS25(世界电动车大会)再次在中国举办,诸多与电动车相关的报道见诸报端,也使民间对电动车市场的热情骤然升温。EVS25吸引了众多的国内外整车厂、关键系统与零部件供应商,甚至包括英飞凌、富士电机和赛米控等专注于电动车电源方案的半导体供应商。

电动车驱动模式的改变,使得产业链上的合作呈现多样化。譬如,车厂在马达系统甚至整套驱动系统方面都要向零部件供应商采购;而在电池管理和控制系统方面,整车厂大多缺乏独立开发的能力,一般依赖电池模组供应商提供整套方案,稍有研发实力的则选择与半导体供应商合作开发。尽管电动车用磷酸铁锂电池在成本、功率密度、可靠性、使用寿命等方面仍存在诸多挑战。但就长远的中国市场而言,纯电动汽车是大势所趋,在相应的充电网络及相应标准未完善之前,HEV或PHEV 等混合动力方式则可作为补充技术。

在EVS25上,英飞凌的汽车电驱动部门OPM总监Mark Munzer表示,电动车为工业带来一次分裂性革命。这不但表现在汽车工业产业链的合作上,也将表现在未来与电动车相关业务的运营模式上。甚至,除了继续巩固和一级零部件供应商的合作,他认为车用半导体厂商将成为电动车厂商真正意义的系统合作伙伴。

电动车呼声劲扬,车用半导体器件可靠性成关键

图:PHEV的小型汽油引擎作为电池耗尽时的增程器。

电动车呼声劲扬,车用半导体器件可靠性成关键

图:纯电动车的动力架构。

零失效率车用芯片是如何练成的?

英飞凌、瑞萨电子、飞思卡尔、意法半导体是主要的车用半导体供应商。英飞凌近两年已在汽车专用半导体器件市场跃居第一,而在功率器件(包含车用功率器件)市场更是多年排名第一。Mark Munzer声称,与主要竞争对手比较,英飞凌的车用产品线更全面,覆盖中低高压各个领域,优势则体现在车用高压功率器件上,而在车用IGBT模块方面,当前的对手有三菱电机和富士电机等。

当前,英飞凌针对电动汽车推出HybridPACK系列IGBT模块,包括 HybridPACK l和HybridPACK 2。其中,HybridPACK l适合诸如野外混合动力和电池充电器等10kW到30kW应用,HybridPACK 2适合功率为 40kW和100kW的全混与纯电动应用;而在EVS25上,英飞凌宣布针对中国市场推出了适合轻混和纯电动的带PinFin的HybridPACK l模块,功率范围30kW至40kW。功率半导体器件对于电动车的重要性显而易见。据了解,中国的车用IGBT芯片依赖这些欧美日半导体公司,本土车用 IGBT/MOSFET在可靠性和EMC方面存在较大问题,目前技术仍难以突破实现商业化。

车用半导体器件的品质和可靠性是至关重要的。Mark Munzer认为,满足于1ppm半导体器件失效率是不够的。他表示,从单独器件角度看这是1ppm,ECU上布了众多元器件则使其失效率达到 300ppm,以每辆车平均50个ECU单元来计算,汽车的故障率将高达1.5%;因此,从安全角度考虑,英飞凌的目标是0ppm的器件失效率。

电动车呼声劲扬,车用半导体器件可靠性成关键

图:车用半导体器件1ppm的失效率是否已经足够?

他进而解释说,如果不良半导体产品进入零部件供应商或整车厂的安全或动力系统,导致的失效问题所带来的损失将会是数倍、甚至指数级的增长,因此与其冒险花费上千万欧元召回处理事故车辆,不如在器件设计和晶圆厂的源头就开始严格执行失效分析。

对车用半导体的制造,英飞凌在对晶圆探测的时候就坚持多做探针测试等扫描,以剔除坏区,为了达到0ppm的产品目标,在坏区周边区间甚至也不会被拿来生产这些性命攸关的车用级器件;而对于IGBT,在生产车间实现全自动以避免人手触摸引入静电也是必须的。对于每一片车用器件,该公司设定的追踪码可跟踪相应批次的其他芯片,所以能在客户端发现故障初始就能够追踪到同批次其他器件的去处,以尽量避免更多安全事故的发生。

为了说明汽车级功率器件的重要性,下表是汽车级和工业级功率器件所要求的参数供参考,其中CAV是指工程车类应用。

电动车呼声劲扬,车用半导体器件可靠性成关键

表:汽车级和工业级功率模块之间的主要区别。

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