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        新能源汽車的下一個風口,超全面解析

        新能源汽車的下一個風口,超全面解析

        何謂自動駕駛?都包括哪些?

        從產業鏈角度按照產業上下游將其分為了感知、計算平臺、算法集成、車輛控制、汽車通訊、無人駕駛汽車運營等六個方面。

        新能源汽車的下一個風口,超全面解析(技術篇)

         


        感知

        自動駕駛汽車的感知部分,主要由攝像頭、激光雷達、毫米波雷達、超聲波雷達等多種方式共同組成。

         

        由于各種感知方式在不同環境、不同距離、不同作用上各有所長,因此采用多傳感器信息融合的方式有利于保證全方位信息的收集,進而使計算機做出更加精準的判斷和規劃。

         

        激光雷達

        目前,激光雷達的生產廠商集中在國外,包括美國Velodyne公司、Quanegy公司以及德國的Ibeo公司等,國內激光雷達初創公司也在盡力追趕。

         

        新能源汽車的下一個風口,超全面解析(技術篇)

         


         

        激光雷達的穿透距離遠,高性能激光雷達可以實現200米范圍內,精度高達厘米級的3D場景掃描重現,從而幫助自動駕駛系統實現提前行駛路線規劃。

         

        目前來看,多線激光雷達很有可能是未來無人車的必備傳感器,并且與高精度地圖及駕駛系統核心算法緊密相關。目前,多線激光雷達還沒有針對車規級的成熟量產方案,機械旋轉式多線激光雷達雖然已在普遍應用,但體積較大且價格過于昂貴,更小型更低成本的純固態激光雷達還未見到成熟產品。

         

        國內有不亞于國外的光機電技術基礎,產業鏈比較完整,因此,諸多深耕激光雷達領域的公司還有不小的機會。

         

        毫米波雷達、超聲波雷達

        除了激光雷達之外,近年來毫米波雷達和超聲波雷達也逐漸成為自動駕駛汽車中,參與多傳感器信息融合感知設備。其中,最為知名的例子就是特斯拉在其智能汽車中,完全沒有使用激光雷達,而采用毫米波雷達+攝像頭的方案。

         

        另外,類似博世、大陸這樣的智能輔助駕駛巨頭,也在毫米波雷達和超聲波雷達這樣成本較低傳感器設備上,擁有比較深刻的技術積累和應用經驗。

         

        而在國內,像行易道這樣的毫米波雷達廠商,也在積極進行技術開發,追趕國際巨頭水平。

         

        不過,歸根結底,特斯拉還只是高級輔助駕駛系統(ADAS),而當操作主體,也就是責任主體向機器轉移時,僅僅通過攝像頭和毫米波雷達實現自動駕駛功能是不夠的,激光雷達所帶來的功能性安全冗余非常必要。

         

        攝像頭(計算機視覺)

        目前,通過攝像頭進行拍攝,在進行圖像和視頻識別,確定車輛前方環境,是自動駕駛汽車的主要感知途徑,這也是很多無人駕駛公司的主要研發內容之一。

         

        不過,在這一方面,ADAS要先于無人駕駛汽車向市場推廣,因此在數據收集反饋、工程化等方面,ADAS公司也處于領先地位。

         

        國內雙目ADAS公司中科慧眼CTO崔峰就表示,在未來無人駕駛汽車中,攝像頭(雙目)將成為重要的感知部分,中科慧眼未來努力的目標,也是為自動駕駛汽車,乃至各類出行機器人提供機器視覺方面的技術支持。

         

        目前,車載攝像頭主要分為單目和雙目兩種。

         

        雙目攝像頭基于視差原理,可以在數據量不足的情況下,測定車輛前方環境(樹木、行人、車輛、坑洞等),并且獲得準確的距離數據,用以提供給自動駕駛系統進行車輛控制。

         

        而單目攝像頭,主要基于機器學習原理,使用大量數據進行訓練,進行環境識別。盡管需要大量數據支持,且在惡劣光線條件下的表現不如雙目攝像頭,但其相對便宜的價格以及成熟的技術也獲得了一部分公司的青睞。

         

        在單目ADAS領域,以色列公司Mobileye是世界最頂尖的企業,而中國公司與這樣的國外巨頭依然存在一定的差距。

         

        汽車通訊,主要可以分為兩個方面。

         

        第一,是車聯網系統。

        通過車載通訊設備,完成人與車、車與車、車與環境的信息交互,一方面可以完善運營車輛(出租車、網約車、公交車、物流貨車等)和道路交通(如紅綠燈)的調度安排,另一方面可以減少車輛的感知設備投入,將車輛及環境采集到的信息與車輛自身采集的信息相融合,從而實現自動駕駛功能。

         

        不過,車聯網(包括V2X,車輛對外界信息交換)的發展,除了需要大大小小各家公司的努力之外,同樣需要政府和相關機構的幫助。

         

        首先是制定V2X通訊標準,歐美在此前就已經將DSRC標準列為了其車輛通訊標準,而國內則是LTE-V標準的呼聲比較高。

         

        另外,車聯網不僅僅局限于車輛上的通訊系統配備,還涉及到道路交通基礎設施建設。目前,杭州、南京、北京等地,都已經開始了智慧城市和智慧交通的試點。

         

        車聯網技術的前身,TelemaTIcs(遠距離通信與信息科學),在很早以前就已經出現,而大概在四五年前,由于物聯網的興起,出現了“車聯網”這個詞。其更大的作用,不僅限于保證自動駕駛功能運行,而在于未來車輛中內容行業的發展。

         

        第二,是高精度地圖。

        高精度地圖是自動駕駛汽車實現路線規劃的基礎,這些年,衛星導航和基于激光雷達的3D環境建模技術日益成熟,高精度地圖測繪質量逐步提升,這為自動駕駛的研發提供了不小的助力。

         

        國內高精度地圖,以百度地圖、高德地圖、四維圖新等公司為主力;而國外方面,Here、TomTom等公司一直備受稱贊。

        計算平臺

        自動駕駛系統的計算量、數據流都非常大,同時又需要較快的反應速度,因此就需要匹配合適效能的計算資源,保證計算工作的正常運行。

         

        自從吳恩達發現GPU非常適合進行深度神經網絡訓練以來,英偉達就在這一次的人工智能浪潮之中大發了一筆橫財。目前,據不完全統計,全球已有超過1500家人工智能初創公司使用英偉達的產品,其中還有不少自動駕駛技術公司。

         

        在2017年CES上,英偉達發布了最新的車載計算平臺“XAVIER”,其512 個Volta CUDA 核心可提供高達30TOPS的計算性能,并且功率只有30W,遠遠優于Drive PX2。

         

        而在國內,人工智能創業圈子中聲名赫赫的地平線機器人,也正在研發其基于FPGA架構的大腦引擎(BPU),而代號為“高斯”的計算構架IP預計在2017年底推出。

         

        不過,綜合來看,自動駕駛計算平臺的爭奪戰依然主要在國際巨頭之間展開,除了英偉達之外、英特爾、微軟、Ceva、Mobileye、恩智浦、德州儀器、高通等芯片、IP、ADAS供應商,都正在瞄準這一領域發力,未來的競爭激烈程度可見一斑。

        車輛控制

        自動駕駛汽車不僅僅是感知和算法,它還涉及到車輛控制、汽車動力學、汽車工程等諸多技術學科,同時需要汽車控制(剎車、轉向、燈光、油門等)配件的支持。

         

        目前,自動駕駛執行相關的技術和部件產品將依然長期掌控在大型Tier1手中。如博世、大陸、Delphi等傳統的Tier1掌握的執行控制專利技術已經可以支撐到自動駕駛階段,無論在性能還是價格上都有絕對的優勢。

         

        此外,由于電動汽車技術的快速革新,傳統汽車制造業受到了沖擊,此前發動機和變速箱等壁壘技術,逐漸被車輛電控、電動機、電池等技術取代。這種變革,讓創業團隊自己造車成為了可能。

         

        因此,國內外眾多電動汽車、互聯網造車、智能汽車企業極有可能成為自動駕駛汽車行業的新貴。

         

        算法是自動駕駛汽車關鍵步驟

        目前,大多數踏入自動駕駛行業的初創公司,可以看作算法集成層面的公司。

         

        他們利用高精度地圖進行路線規劃,采用新型計算平臺,整合多傳感器信息,開發相應的車輛控制算法對汽車進行行為控制。

         

        目前,自動駕駛技術公司的兩級分化比較嚴重,一方面是看準時間和角度切入的初創企業,另一方面則是大型互聯網科技巨頭,如谷歌、百度、Uber等。此外,像博世這樣,少量擁有相對完整的產業鏈結構的Tier1,也在踏足這一領域。

         

        智能駕駛系統中十分依賴算法和數據,在控制層處中樞地位,深度學習是提升精度的終極方案。傳感層識別外界物體、收集信息后輸入到控制層,控制層利用視覺算法、傳感器融合算法、路徑規劃算法進行物體識別、軌跡預測。傳統算法識別精度已接近閾值,難以完全勝任對復雜的駕駛場景進行信息識別。通過人工智能、深度學習可以極大優化算法架構提升識別能力?;谌斯ぶ悄芗夹g對行人等難度較大的物體識別率穩步突破90%,接近可應用水平。國外巨頭已逐步應用于產業化,國內的優勢在于豐富的算法資源與近年來大量AI 人才往這個方向轉移,弱勢在于缺乏汽車實測經驗和數據。

         

        新能源汽車的下一個風口,超全面解析(技術篇)

         


         

        舉個例子說明一下:

        經典智能駕駛算法:目標物體識別和路徑規劃

         

        在人工智能和深度學習應用之前,經典的無人駕駛算法以目標物體識別和路徑規劃為核心,分為六個步驟: 前處理→前景分離→物體分類→結果改進→物體追蹤→應用層面前五個部分是感知識別算法的核心步驟,最后一個部分則通常指后續的物體行為預測、路徑規劃。

         

        1)物體識別技術

         

        Step1,前處理

         

        底層機器視覺算法,通常包含攝像頭曝光、增益控制、攝像頭標定校準等步驟。由于路況復雜多變而實時性要求很高,因而智能駕駛中對前處理算法的要求極高。

         

        Step2,前景切分

         

        前景切分的目的是盡可能過濾與待識別物體無關的背景信息(例如天空),并且將圖像切分為適宜大小。一個好的前景切分算法可能將原先的200k-1000k 個待識別區域縮小到20k-40k,大大減輕后續處理負擔。

         

        Step3,物體識別

         

        將上一步驟生成的大量待識別區間歸類為數百種已知的可能在道路上出現的物體,并且盡量減少誤判。

         

        Step4,驗證與結果改進

         

        使用與分類方法不同的判據來驗證分類的結果可靠性,并提取被歸類為特定物體的待識別區間中更加詳細的信息(例如交通標志)。

         

        Step5,物體跟蹤

         

        這一步驟的目的有二。除了為應用層提供物體軌跡外,還能為前景切分、物體分類提供輸入(告訴前景切分之前這個地方出現過什么)。目前最為常用的算法是卡爾曼濾波算法(用來跟蹤、預測物體軌跡,根據過去空間位置預測未來位置)。

        未來汽車的風向標—新能源汽車

        汽車行業一直致力于節能減排。這里一部分原因是受到更加嚴格的二氧化碳減排規則限制:比如新的歐盟委員會規則要求到2021年將平均車輛排放量減少到95g CO2/公里等。同時越來越多的中產階級也充分意識到減少燃料消耗可以節省資金,減少對健康和環境的影響,有助于提高生活質量,這都直接增加了對新能源汽車的需求。

         

        新能源汽車電子化顯性增量——電機電控&電池

        和燃油發動機的汽車相比,純電動汽車使用電動機代替了燃油車的柴油/汽油發動機;以電池組代替了燃油,為電動機提供動力;其中還有一個最主要的部件就是電控系統,電控系統由電池管理系統和控制系統構成,管理電池組和控制電池的能量輸出以及調節電動機的轉速等,是連接新能源電池和電機的重要中間載體。從電子產品價值量上來看,電機和電控系統也是新能源汽車相對傳統汽車而言最大的成本增量,目前乘用車電機價值量大約在1000美元,控制器價值大約在1000美元??紤]電機和控制器,再加上其他的電子配件,電動汽車成本較傳統汽車的價值增量超過2000美元。

         

        新能源汽車的下一個風口,超全面解析(技術篇)

         


         

        其中,內部的核心構造在未來將成為各大廠商必爭的一塊地盤,下面我們就來詳細的了解一下。

         

        電動車主題分為四大部分:鋰電池、燃料電池、電控系統和驅動電機。

         

        1.電機驅動部分

         

        目前新能源汽車電機主要分為4類:直流電機、異步電機、永磁同步電機和開關磁阻電機。目前在乘用車上永磁同步電機和交流異步電機是應用最廣泛的電機形式:當前美國車企和部分歐洲車企偏愛交流異步電機,主要存在三方面原因:第一,交流異步電機價格低廉,從成本上考慮具有優勢;第二,美國汽車的車型相對較大,這恰與交流異步電機體積不發生沖突;第三,美國高速路網發達,這使得交流電機的高速區間效率性能表現得尤為突出。相反,在中國、日本等其他國家永磁同步電機在新能源汽車上使用最為廣泛。從電機裝機數量上來看,永磁同步電機裝機量更高,從綜合性能上看,永磁同步電機最具優勢,故而永磁電機裝機量占比較高。

         

        2. 電控系統

         

        新能源汽車控制系統部分則包括電池管理系統(BMS)、發動機電子控制單元(ECU)、發電機控制器(GCU)、離合器控制單元(CCU)、電機控制器(MCU)、變速器控制系統(TCU)和整車控制器(VCU)。其中核心是BMSVCU和MCU。

         

        新能源汽車的下一個風口,超全面解析(技術篇)

         


         

        整車控制系統(VCU)

        整車控制系統是實現整車控制決策的核心電子控制單元,一般僅新能源汽車配備、傳統燃油車無需該裝置。VCU通過采集油門踏板、擋位、剎車踏板等信號來判斷駕駛員的駕駛意圖;通過監測車輛狀態(車速、溫度等)信息,由VCU判斷處理后,向動力系統、動力電池系統發送車輛的運行狀態控制指令,同時控制車載附件電力系統的工作模式;VCU具有整車系統故障診斷保護與存儲功能。

         

        電機控制器(MCU)

        電機控制器(MCU)通過接收VCU的車輛行駛控制指令,控制電動機輸出指定的扭矩和轉速,驅動車輛行駛。實現把動力電池的直流電能轉換為所需的高壓交流電、并驅動電機本體輸出機械能。車用MCU在汽車中的應用呈現出多樣性,從簡單的車燈控制到復雜的發動機控制、汽車遠程通信實現,高、中、低端MCU在汽車中都可以發揮作用。不同汽車電子系統對MCU的要求是不同的,也就決定了車用MCU的多樣性。一輛汽車至多需要50顆MCU,應用領域遍及安全應用、車體控制、動力能源相關等,其中電動汽車分別在EV主反相器、EV輔助反相器、EV HV/LV DC/DC、EV AC/DC充電部件比傳統汽車多需要4顆MCU,其中32位MCU單價在3-15美元,16位MCU單價在3-5美元,8位單價在1-3美元??傮w而言,單車MCU價值在102-484美元。

         

        電池管理系統(BMS)

        作為保護動力鋰離子電池使用安全的控制系統,時刻監控電池的使用狀態,通過必要措施緩解電池組的不一致性,為新能源車輛的使用安全提供保障。電動汽車動力電池是由幾千個小電芯組成的,電池包的組成主要包括電芯、模塊、電氣系統、熱管理系統、箱體和BMS。

         

        目前,國內參與BMS企業有3類:

        1)動力電池企業:目前國內第一梯隊動力電池企業均涉足,且大多是“BMS+PACK”模式,掌握了動力電池電芯到電池包的整套核心技術,具有較強的競爭實力。代表企業有BYD、(寧德)CATL、中航鋰電、國軒高科等。

        2)整車企業:整車企業對電芯的參與較少,一般通過兼并購、戰略合作等方面進入,而BMS則為大的企業重點考慮的領域。國內如長安、北汽、吉利等車企均有專門的研發團隊進行BMS的研發,除了核心技術的掌握外,在成本和效率方面較其他企業有較強的競爭力。

        3)第三方BMS企業:目前國內第三方BMS企業仍占據主要位置。一部分由動力電池BMS企業,另一部分是傳統數碼電池及BMS企業轉型而來。相對來講,作為專業的第三方BMS企業,技術積累有天然的優勢。

         

        電池—讓人又愛又恨的關鍵部件

        電池作為電動汽車的動力源,一直以來被視為電動汽車發展的重要標志性技術,也是制約電動汽車發展的重要瓶頸,其性能好壞直接影響到驅動電動機的性能,進而影響整車的行駛性能和排放性能??紤]到新能源汽車電池工作環境的復雜多變性,并需保持穩定持久的電能來源。

         

        從新能源汽車電池類型上來看,新能源汽車中的電池包括酸鉛電池、鎳氫電池、鋰離子電池等。目前,鋰離子電池(鋰離子電池和鋰聚合物電池)除在價格和安全性方面處于劣勢以外,其他方面均處于領先地位,目前已經逐漸成為主流的新能源汽車電池形式,而創新性鋰聚合物電池將會是未來研發重點。

         

        新能源汽車的下一個風口,超全面解析(技術篇)

         


         

        電池成本是整車正本最高的部分,占整車成本的10%-15%以上。也是新能源汽車價值量最高的部件之一。以特斯拉為例,特斯拉的動力電池由7000多顆18650電芯構成的電池總成,按照單顆電芯價值2-3美元計算,特斯拉電池成本高達1.5萬-2萬美金。而國內新能源車電池價格也普遍在5-10萬元左右。

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        高電壓下電池零部件的潛在變化

        純電動車的動力電池電壓普遍大于300V,如特斯拉Model S電池電壓為400V、比亞迪唐的為500V。就已經實現量產的混動車而言,電池電壓普遍大于100V。而微混車的電池電壓在48V(以48V微混車為例)。一般而言傳統汽車的電池電壓為12V。

         

        無論是純電動車還是混動車,汽車的電池電壓相對傳統汽車發生大變化,由此帶來汽車內部核心零部件的變化:

         

        更多的DC-DC變換電路

        汽車上傳統負載,如空調、雨刮器等,采用12V電壓,而電池輸出為48V甚至更高的電壓,需要大量的電壓轉化模塊(DC-DC)模塊進行電壓轉換。這其中就用到了更多的功率半導體和被動器件(變壓器等)。

         

        對電性能更高的要求

        汽車內部電壓、電流大幅提高,需要耐大電壓、大電流的繼電器、連接器、線纜和被動器件,同時在防止漏電、短路等性能上也需要大幅提升。汽車電池電壓的變化帶來更多的電子零部件需求(功率半導體、被動器件);同時催生既有零部件升級更新的需求(繼電器、連接器、線纜、被動器件等),將有效打開汽車電子企業成長天花板。

        新能源汽車電子化隱性增量——功率半導體量價齊升

         

        預估,全球燃油車年產量年均增速要遠遠低于新能源汽車的增速。而車用半導體、PCB、繼電器、連接器、被動器件、LED車燈的復合增速遠快于汽車市場平均增速。其中車用半導體部分,以功率半導體增量最為顯著。傳統電子制造企業將深度受益于汽車新能源化帶來的電子零部件升級機遇。

         

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        分立器件是重要的電子元器件,廣泛應用在計算機、通信、消費電子、汽車電子、工控等領域。目前全球分立器件的市場規模在200億美元左右,作為汽車電能轉換和控制的核心部件,車用功率半導體占比約為42%,是最大的應用市場。分立器件按照產品類型來分,包括半導體二極管、三極管、MOS、整流器、以及保護和濾波器件等。功率半導體器件是電能轉換和控制的核心部件,設計成本小,通用性強,應用領域廣,發展空間大。

         

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        汽車電子用分立器件主要集中在1)前裝汽車動力總成和驅動。汽車作為封閉系統,內部的電力輸出,需要通過功率器件的轉化實現,和車上機械系統進行配合使用,實現所謂“機電結合”。尤其在以電力驅動馬達的新能源汽車和混合動力汽車中,功率器件的重要性更為顯著突出2)后裝車載信息系統,是在汽車環境下能夠獨立使用的電子裝置,和汽車本身的性能并無直接關系,這類電子產品具體包括汽車信息系統(行車電腦)、導航系統、汽車音響及電視娛樂系統、車載通信系統、上網設備等。后裝用到的分立器件,以邏輯器件為主,還有接口部分的TVS管。前裝用到的功率半導體售價從幾美金到十幾美金不等,用量大概在幾十片的數量級。隨著新能源電動車電池動力模塊使用大量的電力設備,而電力設備中都含有功率半導體器件。因此新能源電動汽車中的功率半導體器件使用量大大增加。

         

        為何新能源汽車如此受到大眾的青睞?這就要從他的構造變化說起。汽車電子可分為動力控制系統、車載車身電子以及安全控制系統。新能源汽車和傳統汽車電子方面主要區別在于動力控制系統。傳統的燃油汽車動力控制系統包括電子點火系統、電子燃油噴射系統等;而新能源電動汽車則包括動力電池系統、驅動電機和電控系統。新能源電動汽車出現了重大變化,簡而言之,汽車將不再需要汽油發動機,油箱或變速器。決定電動汽車性能的關鍵部件是電動機,PCU(即逆變器,DC / DC轉換器)以及其他核心電氣部件。車內電氣部件的平均比例將會大幅上升。

         

        新能源汽車的下一個風口,超全面解析(技術篇)

         


         

        從電動動力系統應用看汽車零部件的變化,傳統汽油車輛具有冷卻系統,燃料供應系統和冷卻/加熱系統的發動機布局?;旌蟿恿ζ嚲哂衅桶l動機車輛和混合動力車專用系統的組合,整個系統較為復雜。隨著這些車輛演變成電動車輛,則不再需要與發動機相關的部件。新能源電動汽車比汽油車和混合動力汽車具有更簡單的結構。

         

        剛才說到,電動車在結構上發生了翻天覆地的變化,其中逆變器和車載充電器是典型的裝置,簡單介紹一下:

         

        逆變器——電動汽車配備有大容量可充電電池,其利用儲存的能量來驅動電動機并為汽車供電??沙潆婋姵夭荒苤苯舆B接到電機,它們通常通過電機逆變器連接,簡稱為逆變器。逆變器通常將DC12V的直流電轉換為和市電相同的AC220V交流電。

        新能源汽車的下一個風口,超全面解析(技術篇)

         


         

        車載充電器——交流充電樁提供的是交流電(AC 100V-240V),而高壓鋰離子電池(LIB)需要用直流(DC)充電,因此充電器必須要有直流轉換器。車載充電器電壓范圍一般在85V-265V,這樣使得車輛可以在世界任何地方充電。在車載充電器中有大量的功率三極管作為功率開關器件使用。功率三極管包括了雙極型管,MOS管以及大紅大紫的IGBT。

        FD-SOI賦能自動駕駛

        當半導體工藝制程發展到22納米時,為了滿足性能、成本和功耗要求,延伸發展出FinFET和FD-SOI兩種技術。由于半導體龍頭英特爾主導推廣FinFET技術,并得到晶圓代工大廠臺積電的支持,使得FinFET技術大行其道。FinFET工藝和FD-SOI工藝均由胡正明教授發明,其實這兩個工藝真的是互補的,如果用汽車發動機來比喻的話,FinFET像是通過某種方法拓展了排量的自然吸氣發動機而SOI有點渦輪增壓。不同的實現方法試圖達到同一件事:使柵極對溝道擁有更好的控制。

         

        不過,最近幾年FD-SOI工藝越來越受業界關注,格芯、三星、索尼、ST、芯原微電子等產業廠商在FD-SOI技術上的投入越來越大,其技術優勢和應用前景也越發地被看好。

         

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        隨著汽車市場在不斷地增長,中國的增長速度超越了市場平均增速,達到12.4%。預計到2020年,平均每輛汽車上的芯片將會達到1500美元。而諸如新興的ADAS、車聯網、信息娛樂系統、動力系統等涉及的芯片或傳感器等可采用FD-SOI工藝,FD-SOI在汽車當中的應用十分廣泛,并且隨著汽車電子演進而不斷發展,每輛汽車平均有100平方毫米的FD-SOI面積。

        業界之所以如此看好FD-SOI在汽車領域的發展前景,得益于技術上的優勢:一方面,FD-SOI的優勢之一為采用正向體偏壓技術(FBB),可以用軟件控制實現功耗、性能動態平衡,而且易于集成RF如收發器以及非易失性存儲單元,在汽車電子等領域有獨特優勢。另一方面,汽車智能化、網聯化使邊緣AI及分布式AI成為必須,需要更高性能更低功耗;5G日益成熟,需要RF高集成;汽車ADAS需要雷達集成降低成本等,FD-SOI技術優勢與應用需求成功“對接”,使得FD-SOI迎來最好時光。

        技術不斷推進


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        FD-SOI生態系統

        FD-SOI要求設計襯底在掩埋絕緣層的單晶硅層非常薄,以確保溝道區完全耗盡。FD-SOI襯底的主要供應商是Soitec,SEH是第二大來源。生產FD-SOI工藝的公司有ST Micro(其正在將此工藝用作28納米IDM的生產),三星代工廠(28納米工藝投產中,18納米工藝計劃投產),以及格芯代工廠(22納米工藝投產中,12納米計劃投產)。各大廠商研發進展情況如下:

         

        ST Micro

        ST Micro于2012年推出了28納米FD-SOI,生產自他們的Crolles II–300mm晶圓廠。與ST Micro的28納米體工藝相比,28納米FD-SOI工藝的性能提高了32 % - 84 %。ST Micro也與CEA Leti一同開發了一種14納米工藝,但是還沒有投入生產。據報道,ST Micro已經開始與格芯合作開發格芯的22FDX FD-SOI工藝,因此長遠來看ST Micro可能不會繼續生產他們自己的FD-SOI,而是可能會轉向這種技術的無晶圓廠模式。Crolles II是一個產能相對較低的300mm晶圓廠,而ST Micro在晶圓廠生產其他產品,因此FD-SOI的產量可能不大。

         

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        ST認為FinFET和FD-SOI都是耗盡型晶體管技術,只是旋轉方向不同而已。

         

        三星

        三星獲得了ST Micro的28納米FD-SOI工藝許可,并利用它創建了三星的28納米FDS工藝。28 FDS于2015年投入生產,目前正在大批量生產17種產品。三星正在開發一項第二代18納米工藝,將于明年完成。28FDS為射頻應用、嵌入式MRAM非易失性存儲器提供達400 GHz以上的最大頻率(fmax),并可應用于汽車。28FDS有一個1.0伏的Vdd。

         

        格芯(GF)

        格芯的22FDX工藝于2017年投入生產,提供400 GHz fmax、嵌入式MRAM非易失性存儲器,并可應用于汽車。對于低功耗應用,22FDX可以在低至0.4伏的電壓下工作。有四種版本可供選擇:低功耗、高性能、低泄漏或射頻與模擬。22FDX的前端基于ST Micro 14納米工藝,后端優化了成本,有兩個雙層曝光層,其余層為單層曝光。

         

        第二代12FDX工藝原本應在2019年推出,但格芯推遲了該工藝的推出,因為客戶現在才設計和升級22FDX產品。12FDX的開發進展順利,將根據需要推出,我們估計推出時間將在2020年左右。

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        從各大廠商工藝指標對比可看出,三星和ST Micro的工藝密度指標。就目前的FD-SOI產品而言,格芯的22FDX毫無疑問在密度方面領先,同時也提供了最低的工作電壓。三星計劃的18FDS工藝可能比格芯目前的FDX22工藝稍密,但格芯計劃的12FDX工藝將再次確立格芯在FD-SOI密度方面的領導地位。

         

        為什么要選擇FD-SOI工藝?

        很多人會說英特爾和臺積電都選擇的是FinFET工藝,根據VLSIresearch的調查,選擇FD-SOI工藝有幾個因素:分別是體偏壓、功耗、設計簡單、成本、易于RF模擬集成等。

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        其中最大的兩個因素就是體偏壓和設計簡單。

         

        這里要解釋下體偏壓:

         

        體偏壓技術(body-bias)是FD-SOI技術所獨有的特點,也是讓該技術最受關注的特點。通過把硅做得極薄,讓它可以全部耗盡,所以不會再漏電流。如果再將氧化硅層做的非常薄,同時放入偏置裝置(bias),就可以調節控制這個晶體管。如果放入的是正偏壓,可以實現性能快速增強;如果放入的是負偏壓,實際上可以關掉該裝置。讓它實現很低的漏電流,大概是1pA/micron的水平。格羅方德也強調了FD-SOI可以在0.4V工作的優勢,說這是幾乎所有技術最小的工作電壓點,有趣的是,如果電壓低于0.4V以后,漏電流反而會增加了所以0.4V是個很不錯的工作電壓點。

         

        從意法半導體的FD-SOI生態系統建設可以看出從產品、晶圓廠到EDA工具再到IP到設計服務和產品,FD-SOI有完整的產業鏈了。

         

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        FD-SOI在模擬射頻集成上的優勢

        ST和其他廠家都強調了FD-SOI在模擬和射頻上大的優勢。ST認為FD-SOI更有助于實現更模擬器件更高帶寬、更低功耗和更小面積。ST還用時間測試參數證明了FD-SOI在模擬設計上的優勢

         

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        格芯率先推出符合AEC-Q100標準的FD-SOI技術

        為了加快FD-SOI的應用速度,格芯已經搶先一步,其22納米FD-SOI(22FDX)技術平臺已通過AEC-Q100(2級)認證,準備投入量產。作為業界符合汽車標準的先進FD-SOI制程技術,格芯的22FDX平臺融合全面的技術和實現設計能力,旨在提高汽車IC的性能和效能,同時仍然符合嚴格的汽車安全和品質標準。

         

        隨著汽車電子零件產品的迅速普及,關于效能和安全性的法規不斷增多,半導體零件元件的品質和可靠性變得比以往更加關鍵。作為AEC-Q100認證的組成部分,零件必須在一段時間和廣泛的溫度范圍內,成功完成可靠性壓力測試,以獲得2級認證。格芯符合汽車標準的22FDX技術正是汽車制造商和供應商實現高度集整合的汽車級IC快速集成所需的技術。而作為公司AutoPro平臺的一部分,22FDX讓客戶能輕松將其汽車微控制器和ASSP轉至更加先進的技術,同時利用明顯超越競爭技術的尺寸、性能和效能優勢。此外,這個經過優化的平臺為汽車雷達應用提供高性能射頻和毫米波功能,并支援在MCU中實施邏輯、Flash、非揮發性存儲器(NVM),也支援高壓零件,以滿足車用IC的獨特要求。

        MOSFETs 和IGBT齊頭并進,第三代半導體功率器件放量在即

        功率器件細分產品主要包括MOSFETs,功率模塊,整流橋,IGBT 等。據Yole Development統計和預測,17-21年功率器件市場規模CAGR 為5.39%,其中MOSFETs(5.23%),IGBT(9.02%),功率模塊(6.20%),二極管(2.8%),晶閘管(2.71%),整流橋(4.72%)。

         

        MOSFETs 和IGBT是新能源汽車結構的主力軍,它們的發展程度可以說決定了新能源汽車技術未來的走勢。詳細的介紹一下這哥倆的本事:

         

        首先普及一下半導體芯片知識:如今,貿易戰當前的背景下,先進的半導體芯片得到了越來越多的重視。其實,半導體芯片在生活中的應用場景有很多,主要有:

        邏輯半導體——應用于電腦和各種移動終端中的核心計算芯片;

        存儲半導體——我們手機的RAM、ROM等;

        功率半導體——廣泛應用于汽車、高鐵、電力行業的各種功率芯片,其中最著名非IGBT莫屬。

         

        說到IGBT就不得不提SIC,作為第三代半導體,它具有高擊穿電場、高飽和電子速度、高熱導率、搞電子密度、高遷移率等特點,因此也被業內譽為固態光源、電力電子、微波射頻器件的“核芯”以及光電子和微電子等產業的“新發動機”,而SIC給新能源汽車帶來了新的生機。雖然同為第三代半導體材料,但由于SiC和GaN的性能不同,所以應用的場景也存在差異化。GaN的市場應用偏向高頻小電力領域,集中在1000V以下;而SiC 適用于1200V 以上的高溫大電力領域,兩者的應用領域覆蓋了新能源汽車、光伏、機車牽引、智能電網、節能家電、通信射頻等大多數具有廣闊發展前景的新興應用市場。

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        但與GaN 相比,SiC熱導率是GaN的三倍以上,在高溫應用領域更有優勢;同時SiC單晶的制備技術相對更成熟,所以SiC 功率器件的種類遠多于GaN。SiC電力電子器件主要包括功率二極管和三極管(晶體管、開關管)。SiC功率器件可使電力電子系統的功率、溫度、頻率、抗輻射能力、效率和可靠性倍增,帶來體積、重量以及成本的大幅減低。而且,以 SiC為材料的二極管、MOSFET、IGBT 等器件未來有望在汽車電子領域取代 Si。對比目前市場主流1200V 硅基IGBT 及SiC MOSFET,可以發現 SiC MOSFET 產品較Si基產品能夠大幅減少Die Size,且表現性能更好。但是目前最大阻礙仍在于成本,根據Yole Développement測算,單片成本SiC比Si基產品高出 7-8 倍。

         

        因此隨著SiC近期產業化進度加速,上游產業鏈開始擴大規模和鎖定貨源。整理全球SiC制造龍頭Cree公告發現,近期碳化硅產業化進度開始加速,ST、英飛凌等中游廠商開始鎖定上游。預計到2025年SiC功率半導體的市場規模有望達到30億美元。在未來的10年內,SiC 器件將開始大范圍地應用于工業及電動汽車領域。該市場增長的主要驅動因素是由于電源供應和逆變器應用越來越多地使用 SiC 器件。

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        大紅大紫的IGBT

        IGBT這個詞你可能從沒聽過,但它一直在我們身邊默默服務。小到微波爐、變頻空調、變頻冰箱,大到新能源汽車、高鐵,甚至航母的電磁彈射,IGBT都不可或缺。IGBT是能量變換和傳輸的核心零件。常見的強電只有50Hz交流電,變壓器只能改變它的電壓。有了IGBT這種開關,就可以通過電路設計和計算機控制,改變交流的頻率,或者把交流變直流。

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        IGBT可以按功能把它理解為電路開關,非通即斷。它就像家里的電燈開關,只不過是由電信號控制,能承受幾十到幾百伏電壓、幾十到幾百安電流的強電,每秒鐘開關頻率最高可達幾萬次。

         

        然而IGBT的雛形是二極管,下面我們回到高中化學由淺及深,逐步介紹IGBT有趣的工作原理:

         

        二極管由半導體材料比如硅Si制造出來,Si的價電子層有四個電子,會跟相鄰的四個Si原子形成共價健。電流的傳導需要自由電子,而共價鍵比較穩定,幾乎沒有多余電子。怎么辦呢?聰明的科學家想出一個辦法——摻雜。比如用價電子為5的磷P置換Si,自由電子產生了。用價電子為3的硼B置換另一塊Si,空穴產生了。就這樣,蘿卜和坑都有了。

         

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        因此,前者被稱為N型半導體,后者被稱為P型半導體。將N型和P型聯姻后生出來的產物就是二極管。在兩種半導體的交界線,有趣的事情發生了。交界處的空穴和電子,在相互吸引下,“牽手”成功。

         

        接下來,難度升級,普及一下MOSFET:

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        MOSFET,又簡稱MOS管,金屬(metal)、氧化物(oxide)、半導體(semiconductor)場效應晶體管,一般潛伏在電腦手機中。MOS管的設計也非常有趣。和二極管相同,MOS管的N部分、P部分交界處也會產生內電場,阻止電子擴散,此時沒有電流。

         

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        下面我們接通電源,底部N部分電子向正極移動,空穴向相反方向移動,底部N與P交界處內電場持續增大,即電路斷開。

         

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        反向接通電源,也是如此,在上端的N型半導體與P型半導體交界處,內電場增大,電路依舊處于斷開狀態。那么,怎么才能讓電路接通呢?

         

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        聰明的工程師又來了,他在P部分上方加入金屬板和絕緣板,又稱為柵級。

         

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        源極與漏極電壓不變,柵源加正電壓,神奇的現象再次發生了。柵極將P部分電子吸引到絕緣板附近,空穴被填充,此處電位逐漸變化到和兩旁N部分相同,于是一條通道打開了。

         

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        之后電子在源極、漏極電壓驅動下運動,產生電流,電路接通。

         

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        降低柵極電壓,通道關閉,電路也就閉合了。柵極的存在,使得MOS管只需要很小的驅動功率,而且開關速度快。

         

        其實IGBT的結構和MOS管非常接近,只是背面增加N+和P+層。

         

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        別小看這個“+”,“+”意味著更高的自由電子或者空穴密度。從而IGBT在保留MOS管優點的同時,增加了載流能力和抗壓能力。在新能源汽車上,IGBT負責交流直流轉換、高低壓轉換,決定了整車的功率釋放速度和能源效率。IGBT能讓電機在瞬間爆發巨大能量,也能瞬間減少輸出,還能根據用電需求對電機變頻調速,降低能耗,增加續航,被稱作是電機驅動系統最核心的元件,當之無愧。

         

        IGBT的應用領域也是包羅萬象,按電壓分布的應用領域:

         

        1.新能源汽車

         

        IGBT模塊在電動汽車中發揮著至關重要的作用,是電動汽車及充電樁等設備的核心技術部件。IGBT模塊占電動汽車成本將近10%,占充電樁成本約20%。

         

        IGBT主要應用于電動汽車領域中以下幾個方面:

         

        A)電動控制系統 大功率直流/交流(DC/AC)逆變后驅動汽車電機;

        B)車載空調控制系統 小功率直流/交流(DC/AC)逆變,使用電流較小的IGBT和FRD;

        C)充電樁 智能充電樁中IGBT模塊被作為開關元件使用;

         

        2.智能電網

         

        IGBT廣泛應用于智能電網的發電端、輸電端、變電端及用電端:

        從發電端來看,風力發電、光伏發電中的整流器和逆變器都需要使用IGBT模塊。

        從輸電端來看,特高壓直流輸電中FACTS柔性輸電技術需要大量使用IGBT等功率器件。

        從變電端來看,IGBT是電力電子變壓器(PET)的關鍵器件。

        從用電端來看,家用白電、 微波爐、 LED照明驅動等都對IGBT有大量的需求。

         

        3.軌道交通

         

        IGBT器件已成為軌道交通車輛牽引變流器和各種輔助變流器的主流電力電子器件。交流傳動技術是現代軌道交通的核心技術之一,在交流傳動系統中牽引變流器是關鍵部件,而IGBT又是牽引變流器最核心的器件之一。

         

        發展狀況

         

        如今,IGBT已經歷了6代技術及工藝改進。而經過這么多年的發展,從結構上看,IGBT主要有三個發展方向,分別是IGBT縱向結構、IGBT柵極結構和IGBT硅片加工工藝。而在這三個方面的改良過程中,廠商聚焦在降低損耗和降低生產成本兩個方面。隨著IGBT芯片技術的不斷發展,芯片的最高工作結溫與功率密度不斷提高,IGBT模塊技術也要與之相適應。未來IGBT模塊技術將圍繞芯片背面焊接固定與正面電極互連兩方面改進。模塊技術發展趨勢:無焊接、無引線鍵合及無襯板/基板封裝技術;內部集成溫度傳感器、電流傳感器及驅動電路等功能元件,不斷提高IGBT模塊的功率密度、集成度及智能度。

         

        國外壟斷趨勢明顯

         

        從市場競爭格局來看,美國功率器件處于世界領先地位,擁有一批具有全球影響力的廠商,例如TI、Fairchild、NS、Linear、IR、Maxim、ADI、ONSemiconductor、AOS和Vishay等廠商。歐洲擁有Infineon、ST和NXP三家全球半導體大廠,產品線齊全,無論是功率 IC 還是功率分離器件都具有領先實力。

         

        日本功率器件廠商主要有Toshiba、Renesas、NEC、Ricoh、Sanke、Seiko、Sanyo、Sharp、Fujitsu、Toshiba、Rohm、Matsushita、Fuji Electric等等。日本廠商在分立功率器件方面做的較好,但在功率芯片方面,雖然廠商數量眾多,但很多廠商的核心業務并非功率芯片,

         

        總體來看,臺灣功率廠商的發展較快,技術方面和國際領先廠商的差距進一步縮小,產品主要應用于計算機主板、顯卡、數碼產品和 LCD 等設備而中國大陸功率半導體市場占世界市場的50%以上,但在中高端MOSFET及IGBT主流器件市場上,90%主要依賴進口,基本被國外歐美、日本企業壟斷。2015年國際IGBT市場規模約為48億美元,預計到2020年市場規??梢赃_到80億美元,年復合增長率約10%。

         

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        2014年國內IGBT銷售額是88.7億元,約占全球市場的1∕3。預計2020年中國IGBT市場規模將超200億元,年復合增長率約為15%。

        SiC VS IGBT,鹿死誰手

         

        車用功率模塊(當前的主流是IGBT)決定了車用電驅動系統的關鍵性能,同時占電機逆變器成本的40%以上,是核心部件。目前,IGBT約占電機驅動器成本的三分之一,而電機驅動器約占整車成本的15~20%,也就是說,IGBT占整車成本的5~7%。2018年,中國新能源汽車銷量按125萬輛計算的話,平均每輛車大約消耗450美元的IGBT,所有車共需消耗約5.6億美元的IGBT。雖說IGBT在新能源領域紅得發紫,但是SiC也不甘示弱,未來如何發展也不好定論。

         

        SiC的優點在于:

         

        1、SiC器件的工作結溫在200℃以上,工作頻率在100kHz以上,耐壓可達20kV,這些性能都優于傳統硅器件;

        2、SiC器件體積可減小到IGBT整機的1/3-1/5,重量可減小到40-60%;

        3、SiC器件還可以提升系統的效率,進一步提高性價比和可靠性。在電動車的不同工況下,SiC器件與IGBT的性能對比情況顯示了在不同工況下,SiC的功耗降低了60-80%,效率提升了1-3%,SiC的優勢可見一斑。

         

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        整體來看,SiC想要取代IGBT,還需要解決良率、成本及可靠性等多方面難題。換句話說,如果SiC的性價比比不上IGBT,那么想要取而代之,可能性很小。

         

        此外,從產業鏈角度看,碳化硅包括單晶襯底、外延片、器件設計、器件制造等環節,但目前全球碳化硅市場基本被在國外企業所壟斷。在全球市場中,單晶襯底企業主要有Cree、DowCorning、SiCrystal、II-VI、新日鐵住金、Norstel等,外延片企業主要有DowCorning、II-VI、Norstel、Cree、羅姆、三菱電機、Infineon等,器件方面,全球大部分市場份額被Infineon、Cree、羅姆、意法半導體等少數企業瓜分。

         

        整體而言,由于制造成本與產能等因素,初期SiC功率元件在新能源汽車市場的滲透率不高。但隨著技術的不斷提升,預估2023年前后市場會有顯著成長,對IDM(國際整合元件制造商)大廠而言,持續拓展產品線多元化應用、降低制造成本并提升產能,將是拓展市場的重點。

         

        IGBT與SiC無論是在功能上和應用上都有著出色的表現,未來有可能是齊頭并進還是取代其一,讓我們拭目以待吧。

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