巨一动力张红玉：功率芯片在汽车电驱动中的应用
时间: 2024-12-09 13:55
来源: 汽车总站网
作者: editor
12月5日-6日，2024全球汽车芯片创新大会在无锡滨湖举办。本届大会以“芯智驱动，协力前行”为主题，由中国汽车工业协会主办，中国汽车工业经济技术信息研究所有限公司联合主办，共设置1场高层峰会、1场大会主旨论坛、3场平行专业论坛、1场定向交流会和1场车芯对接活动，围绕汽车芯片生态建设、市场环境分析、竞争合作及技术创新等方面展开分享和交流，凝聚发展经验和集体智慧，探索解决方案。其中，在12月6日下午举办的“专业论坛一：汽车电驱系统和功率器件创新发展论坛”上，合肥巨一动力系统有限公司研发中心副总经理张红玉发表精彩演讲。以下内容为现场发言实录：
各位专家和老师，下午好！感谢吴秘书长和协会对我们巨一动力的邀请，前面各位专家和老师讲得非常好，应该叫我先讲，有抛砖引玉的效果。无论怎么说，今天给大家分享《功率芯片在汽车电驱动中的应用》，结合巨一动力电驱动，最近几年发展的方向讲一下功率芯片在电驱控制器中的应用。
内容：一是汽车电驱动系统的发展趋势；二是功率芯片应用发展需求；三是巨一电驱系统功率模块应用。
一、汽车电驱动系统的发展趋势。
电驱动系统发展趋势：轻量化、静音化、高效化、智能化、安全性、低成本。无论在重量、体积密度来说，对它的要求都是非常高，还有一些静音化，整车NVH、关键点动刚度等；高效能包括WLTC、CLTC综合效率，要求都非常高；智能化、可靠性、低成本。行业卷得非常厉害，需要低成本化。
高集成化：现在已经有九合一，甚至十一合一、十二合一，从2010-2015年电驱行业包括小三电、大三电。小三电：OBC、DCDC这方面，还有高压接线盒PDU都是分离；大三电：电机、电控、减速器也是分离，一直到在上面2016年的时候巨一动力做的三合一电驱，那时候巨一动力还没有左边电源三合一，那是外购。一直到后面做了上面集成六合一。
现在六合一包括两个阶段，前期六合一看上去是六合一，前阶段就是电源三合一和电驱三合一，在里面是物理集成。目前，在今年巨一动力研制一款六合一用的英飞凌3系列芯片，但是这和之前物理集成的六合一区别是DCDC控制和电源控制，电驱、电控都用一个主控芯片控制，多合一用一个主控芯片控制所有功能。其实，六合一做的是在明年Q2季度量产，当然，这是OBC控制不是在芯片上，因为OBC是在AC侧，DCDC比较容易实现集成控制，因为是在低压侧，和电荷控制比较好合在一起。巨一动力第二代六合一情况，上面有一些九合一、十一合一、十二合一，这就是集成化发展趋势。
电控设计：从高集成化、体积小、轻量化、平台化。首先，功率模块和结构件集成化，现在做的逆变砖形式，逆变砖和水道基板、薄膜电容和IGBT、驱动控制板集合在一起形成独立集成体。驱动控制集成把多样功能用集成芯片实现，其他是体积最小、轻量化、平台化。
电控设计讲到薄膜电容和IGBT散热设计、电路传感器设计，以及在EMC、EMI可靠性电磁干扰设计。
二、功率芯片应用发展需求。
首先，功率芯片发展需求高功率密度，刚才东风蔡总讲到，我发现这个数据没有蔡总写得好，回去再和友商卷一下。
提高功率密度的策略，在芯片封装上来讲，器件尺寸，功率模块、薄膜电容、电动传感器和接插件。功率模块是用最小的尺寸做到出流能力相同，国内功率模块用的封装大部分都是IGBT，巨一动力用的大部分封装在小功率平台之前用的HP1封装，近年和HPD封装为主，因为在国内HPD封装太友好，它有不同出流等级，从400Ah、820Ah、950Ah，甚至是100Ah出流等级都有，为什么选它？对设计比较友好，特别是结构化，结构方案大外轮廓不用修改，再一个重要原因是国内大部分厂商都有IGBT封装，为什么选IGBT？比较好卷，卷价格。所以，选IGBT。
当然，拆了很多友商竞品学习，学习友商方案，包括每一年都有市场上友商电控、电气学习指标，包括联电控制器每一家都有特点和优点在。联电控制器包括微选型，封装其实用的板桥，但是说实话，碳化硅封装国内大部分HPD，但是电缆没有半桥做得好，联电、小鹏专家讲了用的半桥模式，为什么没有选择半桥？还是选HPD？国内厂商HPD封装太常见，而且对TR1来说，在设计上比较友好，在成本上比较好卷。
薄膜电容：减小体积，减小厚度，1微米薄膜电容200V，提高压降，减小膜厚方案。电率传感器，目前各个电率传感器厂商都有自己的方案，在铜排上不是霍尔原理，体积可以做到比较精巧，其他是EMC滤波结构，EMC因为各大主机厂现在对其要求非常高，前段时间各大主机厂EMC等级三，目前大概升级到等级五，对EMC、EMI要求比较高，如果从等级三升级到等级五，包括三项磁环和母线磁环，体积及各项要求变大、成本变高，也会从研发方案讲，逐渐对其体积或者性能和供应商一起探讨如何降低成本和小型化。
低成本：巨一动力大概成本占比，不是碳化硅，是IGBT模块，IGBT模块占比37%，在电机、电控成本里面来说，IGBT成本占比37%。高价值属性面临着国产化替代顺势而为。当然，硅国产化替代现在基本上都完成，因为硅模块在国内已经大批量使用。
碳化硅因为损耗低、能效高，在2024年底碳化硅新能源汽车中的渗透率翻倍增长，但是唯独碳化硅价格还是硅2-3倍。但是，碳化硅价格是硅2-3倍，而且讲的还是国内碳化硅价格，如果是进口碳化硅价格还不止是硅基2-3倍。所以，在一定程度上限制了市场应用。8英寸晶圆增长可以使价格得到一定下降。
高压化：800V高压电驱动调研，在2024年上半年电驱动系统总程搭载的突破达到300万台，在这里边800V高压新能源乘用车渗透率占比在8%左右，市场上800V系统已逐渐向低功率等级发展，之前是800V平台在2000KW以上，目前800V平台朝向低功率方向发展，也就是180KW-200KW功率段，这是800V存在情况。
在800V电压下，如果是硅基IGBT开通损耗急剧增加以及损耗，增长比较高。所以，在此情况下800V平台的应用下碳化硅器件可以有效解决情况，但是碳化硅成本面临较高的问题。
下面，对功率模块发展的需求就是低杂感。刚才各位老师讲到，包括杂散电感母线薄膜电容上的杂散电感，正负极母盘的杂散电感，还有功率模块内部杂散电感。杂散电感降低，薄膜电容杂散电感可以做到10纳方左右，正负极母排杂散电感可以通过叠层母排设计在有限降低，剩下是功率模块内部杂散电感。功率模块内部杂散电感可以通过内部结构设计及封装来解决杂散电感问题。
功率模块耐温要求：巨一动力在市场上做得比较多，前些年用的都是TI平台，节温估算没有，温度保护很简单，IGBT里边NTC对它进行采样、保护，节温估算没有。因为，2018年上了英飞凌平台后，各种控制器节温估算导入对IGBT温度管控做得比较好。但是前几年对其成本卷得比较厉害，当然在一些保护策略上来讲，做得非常简单。
对于IGBT模块在市场上的损坏模式，一般拿回来一看，基本上就是过热失效。极端情况下，热失效包括整车水泵、冷却液有气泡，起步的时候或者堵转的时候，来不及的情况下经常有抓模块风险。对模块耐温要求较高，碳化硅在温度上做得比硅基要好，这是对模块在整车极端工况下，前段时间整车厂模块坏了，最终原因是冷却液或者泵流量没有达到情况，模块损坏，不正常。但是主机厂就承认泵有问题、冷却液有问题，怎么样达到更好模块保护住？所以，对模块耐温要求比较高。
高效能：提高模块损耗。目前，这个数据是产品实验时做出来的测试。硅基是在小电流情况下开通关断了时候损耗比较大，碳化硅在开通关断的时候损耗比较小。但是，硅在大电流情况下，效率也比碳化硅差不多，VCEST很小，大电流情况下表现出来的性能和碳化硅性能可以说不差那么多。
三、基于电驱动系统功率模块应用。
这与碳化硅和硅混合并联类似，背景是因为目前，大家知道是碳化硅比较好，成本约是硅基2倍以上。但是，600Ah以上大电流等级暂时还没有硅器件成熟。而且，大功率、低成本方案电控产品目前都是以IGBT硅基为主。所以，目前想出来混合并联模式，硅和碳化硅也可以用TPIC方式完成，目前有一些国内厂商已经做出来了IGBT和碳化硅在IGBT封装中完成了混合并联，项目在巨一动力研发。当然，为什么那么做？为了达到同样效率目标情况下，使成本做得最优。当然，这个情况后面也讲了，面临着驱动方案成本增加，因为硅和碳化硅的混合并联，势必对驱动方案来说是挑战，驱动方案到底有多少输出？到底是碳化硅先打开还是硅先打开？还是同时打开？还是怎么样的开通模式？所以，驱动方案成本也带来提高。
当然，如果碳化硅下半年价格可以打下来，和IGBT差不多，方案可能就不用做了。如果它对我的驱动方案是挑战，而且对故障保护模式、过流或者保护，以及其他驱动保护策略都是挑战。所以，硅和碳化硅的混合并联目前也是在测试过程中，只是把它的基本性能调通，但在后续如何保护策略来看还是有待于优化。
巨一在TPIC并联应用方案，当然这是某一个项目的并联方案，目前用的其他封装比较多的还是HPD和HP1。TPIC应用方案最左边是单个TPIC应用，市场上A联级小车用得比较多，大概产能1个月2万套，出流能力在200Ah峰值有效。在三合一项目上应用，它是两并TPIC方案，左图都是硅基IGBT，出流能力可以达到380Ah；硅和碳化硅的TPIC模式混合并联，可以做一个碳化硅和两个硅基混合并联，也可以做两个硅基和一个碳化硅的混合并联。灵活性会比较好。
最后，碳化硅并联预研，目前样品还在打样中，没有测试完。
节温估算，目前每一个电控厂家或者主机厂都要求有最基本的功能，通过提取模块热阻模型，再通过模型进行估算，根据应用情况，不同电压、不同电流和温度进行实际测试，并拟合出来。这种情况实时对它的模块温度、温升有比较快的反应，做到及时保护。
（如图）节温估算过程中提取损耗提取或者热度提取过程。
四、巨一动力功率模块应用。
平台化产品用的是HPD模块，将薄膜电容和电热传感器、功率模块、铜排等功率器件进行模组设计，分为是400V平台和800V平台。当然，刚才说封装对设计端比较友好，可以做到硅基IGBT和碳化硅模块兼容，用这同样一个逆变砖。模块化优势，可以提高功率密度、可制造性和维护性。当然，因为设计友好性可以缩短开发周期，提高产品可靠性，降低整体成本。这是对功率模块化设计的要求。
举例：总成技术规划。2024-2025年做六合一，深度集成化多合一，用英飞凌主控芯片控制DCDC和MCU。2026年底，公司也有要求100%达到国产化芯片方案替代，刚才东风蔡总也讲了国产化芯片替代方向。
TI主控芯片或者隔离、数字、模拟芯片，在国产已经可替代率非常高。目前，比较难的是英飞凌38系列或者4系列芯片，刚才有老师也举例，紫光也可以替代英飞凌。这是国产化的方向。
2026年碳化硅方面，碳化硅方案或者混合并联方案，要看为了成本可不可以打下来？其实混合并联方案大家也不是因为做混合并联方案而做，也是因为成本。当然它肯定是中间过渡的状态，后面我相信各个老师也都说了，后面方向还是以碳化硅为主。B级、C级规划800V高压平台，其他是关于电机方案。
我的分享就这么多，最后借机会打一个广告。巨一动力，造有灵魂的零部件，做中国的世界品牌。
谢谢各位老师！
（注：本文根据现场速记整理，未经演讲嘉宾审阅）
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12月5日-6日，2024全球汽车芯片创新大会在无锡滨湖举办。本届大会以“芯智驱动，协力前行”为主题，由中国汽车工业协会主办，中国汽车工业经济技术信息研究所有限公司联合主办，共设置1场高层峰会、1场大会主旨论坛、3场平行专业论坛、1场定向交流会和1场车芯对接活动，围绕汽车芯片生态建设、市场环境分析、竞争合作及技术创新等方面展开分享和交流，凝聚发展经验和集体智慧，探索解决方案。其中，在12月6日下午举办的“专业论坛一：汽车电驱系统和功率器件创新发展论坛”上，合肥巨一动力系统有限公司研发中心副总经理张红玉发表精彩演讲。以下内容为现场发言实录：
各位专家和老师，下午好！感谢吴秘书长和协会对我们巨一动力的邀请，前面各位专家和老师讲得非常好，应该叫我先讲，有抛砖引玉的效果。无论怎么说，今天给大家分享《功率芯片在汽车电驱动中的应用》，结合巨一动力电驱动，最近几年发展的方向讲一下功率芯片在电驱控制器中的应用。
内容：一是汽车电驱动系统的发展趋势；二是功率芯片应用发展需求；三是巨一电驱系统功率模块应用。
一、汽车电驱动系统的发展趋势。
电驱动系统发展趋势：轻量化、静音化、高效化、智能化、安全性、低成本。无论在重量、体积密度来说，对它的要求都是非常高，还有一些静音化，整车NVH、关键点动刚度等；高效能包括WLTC、CLTC综合效率，要求都非常高；智能化、可靠性、低成本。行业卷得非常厉害，需要低成本化。
高集成化：现在已经有九合一，甚至十一合一、十二合一，从2010-2015年电驱行业包括小三电、大三电。小三电：OBC、DCDC这方面，还有高压接线盒PDU都是分离；大三电：电机、电控、减速器也是分离，一直到在上面2016年的时候巨一动力做的三合一电驱，那时候巨一动力还没有左边电源三合一，那是外购。一直到后面做了上面集成六合一。
现在六合一包括两个阶段，前期六合一看上去是六合一，前阶段就是电源三合一和电驱三合一，在里面是物理集成。目前，在今年巨一动力研制一款六合一用的英飞凌3系列芯片，但是这和之前物理集成的六合一区别是DCDC控制和电源控制，电驱、电控都用一个主控芯片控制，多合一用一个主控芯片控制所有功能。其实，六合一做的是在明年Q2季度量产，当然，这是OBC控制不是在芯片上，因为OBC是在AC侧，DCDC比较容易实现集成控制，因为是在低压侧，和电荷控制比较好合在一起。巨一动力第二代六合一情况，上面有一些九合一、十一合一、十二合一，这就是集成化发展趋势。
电控设计：从高集成化、体积小、轻量化、平台化。首先，功率模块和结构件集成化，现在做的逆变砖形式，逆变砖和水道基板、薄膜电容和IGBT、驱动控制板集合在一起形成独立集成体。驱动控制集成把多样功能用集成芯片实现，其他是体积最小、轻量化、平台化。
电控设计讲到薄膜电容和IGBT散热设计、电路传感器设计，以及在EMC、EMI可靠性电磁干扰设计。
二、功率芯片应用发展需求。
首先，功率芯片发展需求高功率密度，刚才东风蔡总讲到，我发现这个数据没有蔡总写得好，回去再和友商卷一下。
提高功率密度的策略，在芯片封装上来讲，器件尺寸，功率模块、薄膜电容、电动传感器和接插件。功率模块是用最小的尺寸做到出流能力相同，国内功率模块用的封装大部分都是IGBT，巨一动力用的大部分封装在小功率平台之前用的HP1封装，近年和HPD封装为主，因为在国内HPD封装太友好，它有不同出流等级，从400Ah、820Ah、950Ah，甚至是100Ah出流等级都有，为什么选它？对设计比较友好，特别是结构化，结构方案大外轮廓不用修改，再一个重要原因是国内大部分厂商都有IGBT封装，为什么选IGBT？比较好卷，卷价格。所以，选IGBT。
当然，拆了很多友商竞品学习，学习友商方案，包括每一年都有市场上友商电控、电气学习指标，包括联电控制器每一家都有特点和优点在。联电控制器包括微选型，封装其实用的板桥，但是说实话，碳化硅封装国内大部分HPD，但是电缆没有半桥做得好，联电、小鹏专家讲了用的半桥模式，为什么没有选择半桥？还是选HPD？国内厂商HPD封装太常见，而且对TR1来说，在设计上比较友好，在成本上比较好卷。
薄膜电容：减小体积，减小厚度，1微米薄膜电容200V，提高压降，减小膜厚方案。电率传感器，目前各个电率传感器厂商都有自己的方案，在铜排上不是霍尔原理，体积可以做到比较精巧，其他是EMC滤波结构，EMC因为各大主机厂现在对其要求非常高，前段时间各大主机厂EMC等级三，目前大概升级到等级五，对EMC、EMI要求比较高，如果从等级三升级到等级五，包括三项磁环和母线磁环，体积及各项要求变大、成本变高，也会从研发方案讲，逐渐对其体积或者性能和供应商一起探讨如何降低成本和小型化。
低成本：巨一动力大概成本占比，不是碳化硅，是IGBT模块，IGBT模块占比37%，在电机、电控成本里面来说，IGBT成本占比37%。高价值属性面临着国产化替代顺势而为。当然，硅国产化替代现在基本上都完成，因为硅模块在国内已经大批量使用。
碳化硅因为损耗低、能效高，在2024年底碳化硅新能源汽车中的渗透率翻倍增长，但是唯独碳化硅价格还是硅2-3倍。但是，碳化硅价格是硅2-3倍，而且讲的还是国内碳化硅价格，如果是进口碳化硅价格还不止是硅基2-3倍。所以，在一定程度上限制了市场应用。8英寸晶圆增长可以使价格得到一定下降。
高压化：800V高压电驱动调研，在2024年上半年电驱动系统总程搭载的突破达到300万台，在这里边800V高压新能源乘用车渗透率占比在8%左右，市场上800V系统已逐渐向低功率等级发展，之前是800V平台在2000KW以上，目前800V平台朝向低功率方向发展，也就是180KW-200KW功率段，这是800V存在情况。
在800V电压下，如果是硅基IGBT开通损耗急剧增加以及损耗，增长比较高。所以，在此情况下800V平台的应用下碳化硅器件可以有效解决情况，但是碳化硅成本面临较高的问题。
下面，对功率模块发展的需求就是低杂感。刚才各位老师讲到，包括杂散电感母线薄膜电容上的杂散电感，正负极母盘的杂散电感，还有功率模块内部杂散电感。杂散电感降低，薄膜电容杂散电感可以做到10纳方左右，正负极母排杂散电感可以通过叠层母排设计在有限降低，剩下是功率模块内部杂散电感。功率模块内部杂散电感可以通过内部结构设计及封装来解决杂散电感问题。
功率模块耐温要求：巨一动力在市场上做得比较多，前些年用的都是TI平台，节温估算没有，温度保护很简单，IGBT里边NTC对它进行采样、保护，节温估算没有。因为，2018年上了英飞凌平台后，各种控制器节温估算导入对IGBT温度管控做得比较好。但是前几年对其成本卷得比较厉害，当然在一些保护策略上来讲，做得非常简单。
对于IGBT模块在市场上的损坏模式，一般拿回来一看，基本上就是过热失效。极端情况下，热失效包括整车水泵、冷却液有气泡，起步的时候或者堵转的时候，来不及的情况下经常有抓模块风险。对模块耐温要求较高，碳化硅在温度上做得比硅基要好，这是对模块在整车极端工况下，前段时间整车厂模块坏了，最终原因是冷却液或者泵流量没有达到情况，模块损坏，不正常。但是主机厂就承认泵有问题、冷却液有问题，怎么样达到更好模块保护住？所以，对模块耐温要求比较高。
高效能：提高模块损耗。目前，这个数据是产品实验时做出来的测试。硅基是在小电流情况下开通关断了时候损耗比较大，碳化硅在开通关断的时候损耗比较小。但是，硅在大电流情况下，效率也比碳化硅差不多，VCEST很小，大电流情况下表现出来的性能和碳化硅性能可以说不差那么多。
三、基于电驱动系统功率模块应用。
这与碳化硅和硅混合并联类似，背景是因为目前，大家知道是碳化硅比较好，成本约是硅基2倍以上。但是，600Ah以上大电流等级暂时还没有硅器件成熟。而且，大功率、低成本方案电控产品目前都是以IGBT硅基为主。所以，目前想出来混合并联模式，硅和碳化硅也可以用TPIC方式完成，目前有一些国内厂商已经做出来了IGBT和碳化硅在IGBT封装中完成了混合并联，项目在巨一动力研发。当然，为什么那么做？为了达到同样效率目标情况下，使成本做得最优。当然，这个情况后面也讲了，面临着驱动方案成本增加，因为硅和碳化硅的混合并联，势必对驱动方案来说是挑战，驱动方案到底有多少输出？到底是碳化硅先打开还是硅先打开？还是同时打开？还是怎么样的开通模式？所以，驱动方案成本也带来提高。
当然，如果碳化硅下半年价格可以打下来，和IGBT差不多，方案可能就不用做了。如果它对我的驱动方案是挑战，而且对故障保护模式、过流或者保护，以及其他驱动保护策略都是挑战。所以，硅和碳化硅的混合并联目前也是在测试过程中，只是把它的基本性能调通，但在后续如何保护策略来看还是有待于优化。
巨一在TPIC并联应用方案，当然这是某一个项目的并联方案，目前用的其他封装比较多的还是HPD和HP1。TPIC应用方案最左边是单个TPIC应用，市场上A联级小车用得比较多，大概产能1个月2万套，出流能力在200Ah峰值有效。在三合一项目上应用，它是两并TPIC方案，左图都是硅基IGBT，出流能力可以达到380Ah；硅和碳化硅的TPIC模式混合并联，可以做一个碳化硅和两个硅基混合并联，也可以做两个硅基和一个碳化硅的混合并联。灵活性会比较好。
最后，碳化硅并联预研，目前样品还在打样中，没有测试完。
节温估算，目前每一个电控厂家或者主机厂都要求有最基本的功能，通过提取模块热阻模型，再通过模型进行估算，根据应用情况，不同电压、不同电流和温度进行实际测试，并拟合出来。这种情况实时对它的模块温度、温升有比较快的反应，做到及时保护。
（如图）节温估算过程中提取损耗提取或者热度提取过程。
四、巨一动力功率模块应用。
平台化产品用的是HPD模块，将薄膜电容和电热传感器、功率模块、铜排等功率器件进行模组设计，分为是400V平台和800V平台。当然，刚才说封装对设计端比较友好，可以做到硅基IGBT和碳化硅模块兼容，用这同样一个逆变砖。模块化优势，可以提高功率密度、可制造性和维护性。当然，因为设计友好性可以缩短开发周期，提高产品可靠性，降低整体成本。这是对功率模块化设计的要求。
举例：总成技术规划。2024-2025年做六合一，深度集成化多合一，用英飞凌主控芯片控制DCDC和MCU。2026年底，公司也有要求100%达到国产化芯片方案替代，刚才东风蔡总也讲了国产化芯片替代方向。
TI主控芯片或者隔离、数字、模拟芯片，在国产已经可替代率非常高。目前，比较难的是英飞凌38系列或者4系列芯片，刚才有老师也举例，紫光也可以替代英飞凌。这是国产化的方向。
2026年碳化硅方面，碳化硅方案或者混合并联方案，要看为了成本可不可以打下来？其实混合并联方案大家也不是因为做混合并联方案而做，也是因为成本。当然它肯定是中间过渡的状态，后面我相信各个老师也都说了，后面方向还是以碳化硅为主。B级、C级规划800V高压平台，其他是关于电机方案。
我的分享就这么多，最后借机会打一个广告。巨一动力，造有灵魂的零部件，做中国的世界品牌。
谢谢各位老师！
（注：本文根据现场速记整理，未经演讲嘉宾审阅）
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