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新能源汽车的下一个风口,超周全剖析(手艺篇)

新能源汽车补贴新政策解读:平均退坡50%,地补取消改为补电

正如市场上预料的一样,2019年新能源补贴退坡政策正式出炉。不同于之前的20%退补贴标准,2019年补贴标准在2018年基础上平均退坡50%。 新能源汽车补贴方案的出台日期可谓一年晚于一年。2017年的方案在2016年12月30日出台,2018年的方案则是在2018年2月13日出台

电动货车增程器

何谓自动驾驶?都包括哪些?

从产业链角度依据产业上下游将其分为了感知、盘算平台、算法集成、车辆控制、汽车通讯、无人驾驶汽车运营等六个方面。

感知

自动驾驶汽车的感知部份,主要由摄像头、激光雷达、毫米波雷达、超声波雷达等多种体式款式合营组成。

由于种种感知体式款式在差别环境、差别间隔、差别作用上各有所长,因此采纳多传感器信息融会的体式款式有利于保证全方位信息的网络,进而使盘算机做出更加精准的推断和设计。

激光雷达

现在,激光雷达的生产厂商集合在外洋,包括美国Velodyne公司、Quanegy公司以及德国的Ibeo公司等,国内激光雷达始创公司也在全力追逐。

激光雷达的穿透间隔远,高机能激光雷达可以完成200米局限内,精度高达厘米级的3D场景扫描重现,从而协助自动驾驶体系完成提早行驶线路设计。

现在来看,多线激光雷达很有多是将来无人车的必备传感器,而且与高精度舆图及驾驶体系中心算法严密相干。现在,多线激光雷达还没有针对车规级的成熟量产设计,机械扭转式多线激光雷达虽然已在普遍运用,但体积较大且价钱过于高贵,更小型更低本钱的纯固态激光雷达还未见到成熟产品。

国内有不亚于外洋的光电机手艺基础,产业链比较完整,因此,诸多深耕激光雷达范畴的公司另有不小的时机。

毫米波雷达、超声波雷达

除了激光雷达之外,近年来毫米波雷达和超声波雷达也逐渐成为自动驾驶汽车中,介入多传感器信息融会感知装备。个中,最为着名的例子就是特斯拉在其智能汽车中,完整没有运用激光雷达,而采纳毫米波雷达+摄像头的设计。

别的,相似博世、大陆如许的智能辅佐驾驶巨子,也在毫米波雷达和超声波雷达如许本钱较低传感器装备上,具有比较深入的手艺积聚和运用履历。

而在国内,像行易道如许的毫米波雷达厂商,也在主动举行手艺开发,追逐国际巨子水平。

不过,归根结柢,特斯拉还只是高等辅佐驾驶体系(ADAS),而当操纵主体,也就是义务主体向机械转移时,仅仅经由过程摄像头和毫米波雷达完成自动驾驶功用是不够的,激光雷达所带来的功用性平安冗余异常必要。

摄像头(盘算机视觉)

现在,经由过程摄像头举行拍摄,在举行图象和视频辨认,肯定车辆火线环境,是自动驾驶汽车的主要感知门路,这也是许多无人驾驶公司的主要研发内容之一。

不过,在这一方面,ADAS要先于无人驾驶汽车向市场推行,因此在数据网络反应、工程化等方面,ADAS公司也处于抢先职位。

国内双目ADAS公司中科慧眼CTO崔峰就示意,在将来无人驾驶汽车中,摄像头(双目)将成为主要的感知部份,中科慧眼将来勤奋的目标,也是为自动驾驶汽车,以致各种出行机械人供给机械视觉方面的手艺支撑。

现在,车载摄像头主要分为单目和双目两种。

双目摄像头基于视差道理,可以在数据量不足的状态下,测定车辆火线环境(树木、行人、车辆、坑洞等),而且取得正确的间隔数据,用以供给给自动驾驶体系举行车辆控制。

而单目摄像头,主要基于机械进修道理,运用大批数据举行练习,举行环境辨认。只管须要大批数据支撑,且在卑劣光芒条件下的表现不如双目摄像头,但其相对廉价的价钱以及成熟的手艺也取得了一部份公司的喜爱。

在单目ADAS范畴,以色列公司Mobileye是天下最顶尖的企业,而中国公司与如许的外洋巨子照旧存在肯定的差异。

汽车通讯,主要可以分为两个方面。

第一,是车联网体系。

经由过程车载通讯装备,完成人与车、车与车、车与环境的信息交互,一方面可以完美运营车辆(出租车、网约车、公交车、物流货车等)和道路交通(如红绿灯)的调理部署,另一方面可以削减车辆的感知装备投入,将车辆及环境收集到的信息与车辆自身收集的信息相融会,从而完成自动驾驶功用。

不过,车联网(包括V2X,车辆对外界信息交换)的生长,除了须要大大小小各家公司的勤奋之外,一样须要政府和相干机构的协助。

起首是制订V2X通讯规范,西欧在此前就已将DSRC规范列为了其车辆通讯规范,而国内则是LTE-V规范的呼声比较高。

别的,车联网不单单议局限于车辆上的通讯体系装备,还触及到道路交通基础设施建立。现在,杭州、南京、北京等地,都已入手下手了伶俐都市和伶俐交通的试点。

车联网手艺的前身,TelemaTIcs(远间隔通讯与信息科学),在很早以前就已涌现,而大概在四五年前,由于物联网的鼓起,涌现了“车联网”这个词。其更大的作用,不仅限于保证自动驾驶功用运转,而在于将来车辆中内容行业的生长。

第二,是高精度舆图。

高精度舆图是自动驾驶汽车完成线路设计的基础,这些年,卫星导航和基于激光雷达的3D环境建模手艺日趋成熟,高精度舆图测绘质量逐渐提拔,这为自动驾驶的研发供给了不小的助力。

国内高精度舆图,以百度舆图、高德舆图、四维图新等公司为主力;而外洋方面,Here、TomTom等公司一向备受赞美。

盘算平台

自动驾驶体系的盘算量、数据流都异常大,同时又须要较快的反应速率,因此就须要婚配相宜效能的盘算资本,保证盘算事变的平常运转。

自从吴恩达发现GPU异常合适举行深度神经网络练习以来,英伟达就在这一次的人工智能海潮当中大发了一笔横财。现在,据不完整统计,环球已有凌驾1500家人工智能始创公司运用英伟达的产品,个中另有不少自动驾驶手艺公司。

在2017年CES上,英伟达宣布了最新的车载盘算平台“XAVIER”,其512 个Volta CUDA 中心可供给高达30TOPS的盘算机能,而且功率只要30W,远远优于Drive PX2。

而在国内,人工智能创业圈子中申明赫赫的地平线机械人,也正在研发其基于FPGA架构的大脑引擎(BPU),而代号为“高斯”的盘算构架IP预计在2017岁尾推出。

不过,综合来看,自动驾驶盘算平台的争夺战照旧主要在国际巨子之间睁开,除了英伟达之外、英特尔、微软、Ceva、Mobileye、恩智浦、德州仪器、高通等芯片、IP、ADAS供给商,都正在对准这一范畴发力,将来的协作猛烈水平可见一斑。

车辆控制

自动驾驶汽车不单单议是感知和算法,它还触及到车辆控制、汽车动力学、汽车工程等诸多手艺学科,同时须要汽车控制(刹车、转向、灯光、油门等)配件的支撑。

现在,自动驾驶实行相干的手艺和部件产品将照旧历久掌控在大型Tier1手中。如博世、大陆、Delphi等传统的Tier1控制的实行控制专利手艺已可以支撑到自动驾驶阶段,不管在机能照样价钱上都有相对的上风。

另外,由于电动汽车手艺的疾速刷新,传统汽车制作业遭到了打击,此前发效果和变速箱等壁垒手艺,逐渐被车辆电控、电效果、电池等手艺庖代。这类革新,让创业团队自身造车成为了大概。

因此,国内外浩瀚电动汽车、互联网造车、智能汽车企业极有大概成为自动驾驶汽车行业的新贵。

算法是自动驾驶汽车症结步骤

现在,大多数踏入自动驾驶行业的始创公司,可以看做算法集成层面的公司。

他们应用高精度舆图举行线路设计,采纳新型盘算平台,整合多传感器信息,开发响应的车辆控制算法对汽车举行行动控制。

现在,自动驾驶手艺公司的两级分化比较严重,一方面是看准时候和角度切入的始创企业,另一方面则是大型互联网科技巨子,如谷歌、百度、Uber等。另外,像博世如许,少许具有相对完整的产业链组织的Tier1,也在踏足这一范畴。

智能驾驶体系中非常依靠算法和数据,在控制层处中枢职位,深度进修是提拔精度的最终设计。传感层辨认外界物体、网络信息后输入到控制层,控制层应用视觉算法、传感器融会算法、途径设计算法举行物体辨认、轨迹展望。传统算法辨认精度已靠近阈值,难以完整胜任对庞杂的驾驶场景举行信息辨认。经由过程人工智能、深度进修可以极大优化算法架构提拔辨认才能。基于人工智能手艺对行人等难度较大的物体辨认率稳步打破90%,靠近可运用水平。外洋巨子已逐渐运用于产业化,国内的上风在于雄厚的算法资本与近年来大批AI 人材往这个方向转移,弱势在于缺少汽车实测履历和数据。

举个例子申明一下:

典范智能驾驶算法:目标物体辨认和途径设计

在人工智能和深度进修运用之前,典范的无人驾驶算法以目标物体辨认和途径设计为中心,分为六个步骤: 前处置惩罚→远景星散→物体分类→效果革新→物体追踪→运用层眼前五个部份是感知辨认算法的中心步骤,末了一个部份则平常指后续的物体行动展望、途径设计。

1)物体辨认手艺

Step1,前处置惩罚

底层机械视觉算法,平常包括摄像头暴光、增益控制、摄像头标定校准等步骤。由于路况庞杂多变而及时性请求很高,因此智能驾驶中对前处置惩罚算法的请求极高。

Step2,远景切分

远景切分的目标是只管过滤与待辨认物体无关的背景信息(比方天空),而且将图象切分为相宜大小。一个好的远景切分算法大概将本来的200k-1000k 个待辨认地区减少到20k-40k,大大减轻后续处置惩罚累赘。

Step3,物体辨认

将上一步骤生成的大批待辨认区间归类为数百种已知的大概在道路上涌现的物体,而且只管削减误判。

Step4,考证与效果革新

运用与分类要领差别的判据来考证分类的效果可靠性,并提取被归类为特定物体的待辨认区间中更加细致的信息(比方交通标志)。

Step5,物体跟踪

这一步骤的目标有二。除了为运用层供给物体轨迹外,还能为远景切分、物体分类供给输入(通知远景切分之前这个处所涌现过什么)。现在最为经常使用的算法是卡尔曼滤波算法(用来跟踪、展望物体轨迹,依据过去空间位置展望将来位置)。

将来汽车的风向标—新动力汽车

汽车行业一向致力于节能减排。这里一部份缘由是遭到更加严厉的二氧化碳减排划定规矩限定:比方新的欧盟委员会划定规矩请求到2021年将均匀车辆排放量削减到95g CO2/千米等。同时愈来愈多的中产阶级也充足意想到削减燃料斲丧可以节约资金,削减对康健和环境的影响,有助于进步生活质量,这都直接增添了对新动力汽车的需求。

新动力汽车电子化显性增量——电机电控&电池

和燃油发效果的汽车比拟,纯电动汽车运用电效果替代了燃油车的柴油/汽油发效果;以电池组替代了燃油,为电效果供给动力;个中另有一个最主要的部件就是电控体系,电控体系由电池治理体系和控制体系组成,治理电池组和控制电池的能量输出以及调治电效果的转速等,是衔接新动力电池和电机的主要中心载体。从电子产品代价量上来看,电机和电控体系也是新动力汽车相对传统汽车而言最大的本钱增量,现在乘用车电机代价量约莫在1000美圆,控制器代价约莫在1000美圆。斟酌电机和控制器,再加上其他的电子配件,电动汽车本钱较传统汽车的代价增量凌驾2000美圆。

个中,内部的中心组织在将来将成为各大厂商必争的一块土地,下面我们就来细致的相识一下。

电动车主题分为四大部份:锂电池、燃料电池、电控体系和驱动电机。

1.电机驱动部份

现在新动力汽车电机主要分为4类:直流电机、异步电机、永磁同步电机和开关磁阻电机。现在在乘用车上永磁同步电机和交换异步电机是运用最普遍的电机情势:当前美国车企和部份欧洲车企偏幸交换异步电机,主要存在三方面缘由:第一,交换异步电机价钱低廉,从本钱上斟酌具有上风;第二,美国汽车的车型相对较大,这恰与交换异步电机体积不发作争执;第三,美国高速路网兴旺,这使得交换电机的高速区间效力机能表现得尤其凸起。相反,在中国、日本等其他国家永磁同步电机在新动力汽车上运用最为普遍。从电机装机数目上来看,永磁同步电机装机量更高,从综合机能上看,永磁同步电机最具上风,故而永磁电机装机量占比较高。

2. 电控体系

新动力汽车控制体系部份则包括电池治理体系(BMS)、发动电机子控制单位(ECU)、发电机控制器(GCU)、离合器控制单位(CCU)、电机控制器(MCU)、变速器控制体系(TCU)和整车控制器(VCU)。个中中心是BMSVCU和MCU。

整车控制体系(VCU)

整车控制体系是完成整车控制决议设计的中心电子控制单位,平常仅新动力汽车装备、传统燃油车无需该装配。VCU经由过程收集油门踏板、挡位、刹车踏板等信号来推断驾驶员的驾驶企图;经由过程监测车辆状态(车速、温度等)信息,由VCU推断处置惩罚后,向动力体系、动力电池体系发送车辆的运转状态控制指令,同时控制车载附件电力体系的事变形式;VCU具有整车体系故障诊断庇护与存储功用。

电机控制器(MCU)

电机控制器(MCU)经由过程吸收VCU的车辆行驶控制指令,控制电效果输出指定的扭矩和转速,驱动车辆行驶。完成把动力电池的直流电能转换为所需的高压交换电、并驱动电机本体输出机械能。车用MCU在汽车中的运用呈现出多样性,从简朴的车灯控制到庞杂的发效果控制、汽车长途通讯完成,高、中、低端MCU在汽车中都可以发挥作用。差别汽车电子体系对MCU的请求是差别的,也就决议了车用MCU的多样性。一辆汽车最多须要50颗MCU,运用范畴提高平安运用、车体控制、动力动力相干等,个中电动汽车分别在EV主反相器、EV辅佐反相器、EV HV/LV DC/DC、EV AC/DC充电部件比传统汽车多须要4颗MCU,个中32位MCU单价在3-15美圆,16位MCU单价在3-5美圆,8位单价在1-3美圆。团体而言,单车MCU代价在102-484美圆。

电池治理体系(BMS)

作为庇护动力锂离子电池运用平安的控制体系,时候监控电池的运用状态,经由过程必要措施减缓电池组的不一致性,为新动力车辆的运用平安供给保证。电动汽车动力电池是由几千个小电芯组成的,电池包的组成主要包括电芯、模块、电气体系、热治理体系、箱体和BMS。

现在,国内介入BMS企业有3类:

1)动力电池企业:现在国内第一梯队动力电池企业均涉足,且大多是“BMS+PACK”形式,控制了动力电池电芯到电池包的整套中心手艺,具有较强的协作气力。代表企业有BYD、(宁德)CATL、中航锂电、国轩高科等。

2)整车企业:整车企业对电芯的介入较少,平常经由过程兼并购、计谋协作等方面进入,而BMS则为大的企业重点斟酌的范畴。国内如长安、北汽、吉祥等车企均有特地的研发团队举行BMS的研发,除了中心手艺的控制外,在本钱和效力方面较其他企业有较强的协作力。

3)第三方BMS企业:现在国内第三方BMS企业仍占有主要位置。一部份由动力电池BMS企业,另一部份是传统数码电池及BMS企业转型而来。相对来说,作为专业的第三方BMS企业,手艺积聚有天然的上风。

电池—让人又爱又恨的症结部件

电池作为电动汽车的动力源,一向以来被视为电动汽车生长的主要标志性手艺,也是限制电动汽车生长的主要瓶颈,其机能优劣直接影响到驱动电效果的机能,进而影响整车的行驶机能和排放机能。斟酌到新动力汽车电池事变环境的庞杂多变性,并需保持稳定耐久的电能泉源。

重新动力汽车电池范例上来看,新动力汽车中的电池包括酸铅电池、镍氢电池、锂离子电池等。现在,锂离子电池(锂离子电池和锂聚合物电池)除在价钱和平安性方面处于劣势之外,其他方面均处于抢先职位,现在已逐渐成为主流的新动力汽车电池情势,而立异性锂聚合物电池将会是将来研发重点。

电池本钱是整车正本最高的部份,占整车本钱的10%-15%以上。也是新动力汽车代价量最高的部件之一。以特斯拉为例,特斯拉的动力电池由7000多颗18650电芯组成的电池总成,依据单颗电芯代价2-3美圆盘算,特斯拉电池本钱高达1.5万-2万美金。而国内新动力车电池价钱也普遍在5-10万元摆布。

高电压下电池零部件的潜伏变化

纯电动车的动力电池电压普遍大于300V,如特斯拉Model S电池电压为400V、比亚迪唐的为500V。就已完成量产的混动车而言,电池电压普遍大于100V。而微混车的电池电压在48V(以48V微混车为例)。平常而言传统汽车的电池电压为12V。

不管是纯电动车照样混动车,汽车的电池电压相对传统汽车发作大变化,由此带来汽车内部中心零部件的变化:

更多的DC-DC变更电路

汽车上传统负载,如空调、雨刮器等,采纳12V电压,而电池输出为48V以至更高的电压,须要大批的电压转化模块(DC-DC)模块举行电压转换。这个中就用到了更多的功率半导体和被动器件(变压器等)。

对电机能更高的请求

汽车内部电压、电流大幅进步,须要耐大电压、大电流的继电器、衔接器、线缆和被动器件,同时在防备泄电、短路等机能上也须要大幅提拔。汽车电池电压的变化带来更多的电子零部件需求(功率半导体、被动器件);同时催生既有零部件升级更新的需求(继电器、衔接器、线缆、被动器件等),将有用翻开汽车电子企业生长天花板。

新动力汽车电子化隐性增量——功率半导体量价齐升

预估,环球燃油车年产量年均增速要远远低于新动力汽车的增速。而车用半导体、PCB、继电器、衔接器、被动器件、LED车灯的复合增速远快于汽车市场均匀增速。个中车用半导体部份,以功率半导体增量最为显著。传统电子制作企业将深度受益于汽车新动力化带来的电子零部件升级时机。

分立器件是主要的电子元器件,普遍运用在盘算机、通讯、消耗电子、汽车电子、工控等范畴。现在环球分立器件的市场范围在200亿美圆摆布,作为汽车电能转换和控制的中心部件,车用功率半导体占比约为42%,是最大的运用市场。分立器件依据产品范例来分,包括半导体二极管、三极管、MOS、整流器、以及庇护和滤波器件等。功率半导体器件是电能转换和控制的中心部件,设想本钱小,通用性强,运用范畴广,生长空间大。

汽车电子用分立器件主要集合在1)前装汽车动力总成和驱动。汽车作为封闭体系,内部的电力输出,须要经由过程功率器件的转化完成,和车上机械体系举行合营运用,完成所谓“电机连系”。尤其在以电力驱动马达的新动力汽车和夹杂动力汽车中,功率器件的主要性更加显著凸起2)后装车载信息体系,是在汽车环境下可以自力运用的电子装配,和汽车自身的机能并没有直接关系,这类电子产品详细包括汽车信息体系(行车电脑)、导航体系、汽车音响及电视文娱体系、车载通讯体系、上网装备等。后装用到的分立器件,以逻辑器件为主,另有接口部份的TVS管。前装用到的功率半导体售价从几美金到十几美金不等,用量大概在几十片的数目级。跟着新动力电动车电池动力模块运用大批的电力装备,而电力装备中都含有功率半导体器件。因此新动力电动汽车中的功率半导体器件运用量大大增添。

为什么新动力汽车云云遭到群众的喜爱?这就要从他的组织变化提及。汽车电子可分为动力控制体系、车载车身电子以及平安控制体系。新动力汽车和传统汽车电子方面主要区分在于动力控制体系。传统的燃油汽车动力控制体系包括电子点火体系、电子燃油放射体系等;而新动力电动汽车则包括动力电池体系、驱动电机和电控体系。新动力电动汽车涌现了严重变化,简而言之,汽车将不再须要汽油发效果,油箱或变速器。决议电动汽车机能的症结部件是电效果,PCU(即逆变器,DC / DC转换器)以及其他中心电气部件。车内电气部件的均匀比例将会大幅上升。

从电动动力体系运用看汽车零部件的变化,传统汽油车辆具有冷却体系,燃料供给体系和冷却/加热体系的发效果规划。夹杂动力汽车具有汽油发效果车辆和夹杂动力车专用体系的组合,悉数体系较为庞杂。跟着这些车辆演变成电动车辆,则不再须要与发效果相干的部件。新动力电动汽车比汽油车和夹杂动力汽车具有更简朴的组织。

适才说到,电动车在组织上发作了天翻地覆的变化,个中逆变器和车载充电器是典范的装配,简朴引见一下:

新能源4.2米货车广州外地牌限行,不是开4停4

如果每个市区都限外市车辆 国家支持新能源车,地方法是这样的,我今天问交警他说外市牌柴油车或新能源4.2米都一样限行

,电动货车发电机,

逆变器——电动汽车装备有大容量可充电电池,其应用贮存的能量来驱动电效果并为汽车供电。可充电电池不能直接衔接到电机,它们平常经由过程电机逆变器衔接,简称为逆变器。逆变器平常将DC12V的直流电转换为和市电雷同的AC220V交换电。

车载充电器——交换充电桩供给的是交换电(AC 100V-240V),而高压锂离子电池(LIB)须要用直流(DC)充电,因此充电器必需要有直流转换器。车载充电器电压局限平常在85V-265V,如许使得车辆可以在天下任何处所充电。在车载充电器中有大批的功率三极管作为功率开关器件运用。功率三极管包括了双极型管,MOS管以及大红大紫的IGBT。

FD-SOI赋能自动驾驶

当半导体工艺制程生长到22纳米时,为了满足机能、本钱和功耗请求,延长生长出FinFET和FD-SOI两种手艺。由于半导体龙头英特尔主导推行FinFET手艺,并获得晶圆代工大厂台积电的支撑,使得FinFET手艺大行其道。FinFET工艺和FD-SOI工艺均由胡正明传授发现,实在这两个工艺真的是互补的,假如用汽车发效果来比方的话,FinFET像是经由过程某种要领拓展了排量的天然吸气发效果而SOI有点涡轮增压。差别的完成要领试图到达统一件事:使栅极对沟道具有更好的控制。

不过,近来几年FD-SOI工艺愈来愈受业界关注,格芯、三星、索尼、ST、芯原微电子等产业厂商在FD-SOI手艺上的投入愈来愈大,其手艺上风和运用远景也更加地被看好。

跟着汽车市场在不停地增进,中国的增进速率逾越了市场均匀增速,到达12.4%。预计到2020年,均匀每辆汽车上的芯片将会到达1500美圆。而诸如新兴的ADAS、车联网、信息文娱体系、动力体系等触及的芯片或传感器等可采纳FD-SOI工艺,FD-SOI在汽车当中的运用非常普遍,而且跟着汽车电子演进而不停生长,每辆汽车均匀有100平方毫米的FD-SOI面积。

业界之所以云云看好FD-SOI在汽车范畴的生久远景,得益于手艺上的上风:一方面,FD-SOI的上风之一为采纳正向体偏压手艺(FBB),可以用软件控制完胜利耗、机能动态平衡,而且易于集成RF如收发器以及非易失性存储单位,在汽车电子等范畴有奇特上风。另一方面,汽车智能化、网联化使边沿AI及散布式AI成为必需,须要更高机能更低功耗;5G日趋成熟,须要RF高集成;汽车ADAS须要雷达集成下降本钱等,FD-SOI手艺上风与运用需求胜利“对接”,使得FD-SOI迎来最好时间。

手艺不停推动

FD-SOI生态体系

FD-SOI请求设想衬底在埋葬绝缘层的单晶硅层异常薄,以确保沟道区完整耗尽。FD-SOI衬底的主要供给商是Soitec,SEH是第二大泉源。生产FD-SOI工艺的公司有ST Micro(其正在将此工艺用作28纳米IDM的生产),三星代工厂(28纳米工艺投产中,18纳米工艺设计投产),以合格芯代工厂(22纳米工艺投产中,12纳米设计投产)。各大厂商研发希望状态以下:

ST Micro

ST Micro于2012年推出了28纳米FD-SOI,生产自他们的Crolles II–300mm晶圆厂。与ST Micro的28纳米体工艺比拟,28纳米FD-SOI工艺的机能进步了32 % – 84 %。ST Micro也与CEA Leti一同开发了一种14纳米工艺,然则还没有投入生产。据报道,ST Micro已入手下手与格芯协作开发格芯的22FDX FD-SOI工艺,因此久远来看ST Micro大概不会继承生产他们自身的FD-SOI,而是大概会转向这类手艺的无晶圆厂形式。Crolles II是一个产能相对较低的300mm晶圆厂,而ST Micro在晶圆厂生产其他产品,因此FD-SOI的产量大概不大。

ST以为FinFET和FD-SOI都是耗尽型晶体管手艺,只是扭转方向差别罢了。

三星

三星取得了ST Micro的28纳米FD-SOI工艺允许,并应用它创建了三星的28纳米FDS工艺。28 FDS于2015年投入生产,现在正在大批量生产17种产品。三星正在开发一项第二代18纳米工艺,将于来岁完成。28FDS为射频运用、嵌入式MRAM非易失性存储器供给达400 GHz以上的最大频次(fmax),并可运用于汽车。28FDS有一个1.0伏的Vdd。

格芯(GF)

格芯的22FDX工艺于2017年投入生产,供给400 GHz fmax、嵌入式MRAM非易失性存储器,并可运用于汽车。关于低功耗运用,22FDX可以在低至0.4伏的电压下事变。有四种版本可供挑选:低功耗、高机能、低走漏或射频与模仿。22FDX的前端基于ST Micro 14纳米工艺,后端优化了本钱,有两个双层暴光层,其他层为单层暴光。

第二代12FDX工艺底本应在2019年推出,但格芯推迟了该工艺的推出,由于客户现在才设想和升级22FDX产品。12FDX的开发希望顺遂,将依据须要推出,我们预计推出时候将在2020年摆布。

从各大厂商工艺目标对照可看出,三星和ST Micro的工艺密度目标。就现在的FD-SOI产品而言,格芯的22FDX毫无疑问在密度方面抢先,同时也供给了最低的事变电压。三星设计的18FDS工艺大概比格芯现在的FDX22工艺稍密,但格芯设计的12FDX工艺将再次建立格芯在FD-SOI密度方面的领导职位。

为什么要挑选FD-SOI工艺?

许多人会说英特尔和台积电都挑选的是FinFET工艺,依据VLSIresearch的观察,挑选FD-SOI工艺有几个要素:分别是体偏压、功耗、设想简朴、本钱、易于RF模仿集成等。

个中最大的两个要素就是体偏压和设想简朴。

这里要诠释下体偏压:

体偏压手艺(body-bias)是FD-SOI手艺所独占的特性,也是让该手艺最受关注的特性。经由过程把硅做得极薄,让它可以悉数耗尽,所以不会再泄电流。假如再将氧化硅层做的异常薄,同时放入偏置装配(bias),就可以调治控制这个晶体管。假如放入的是正偏压,可以完成机能疾速加强;假如放入的是负偏压,实际上可以关掉该装配。让它完成很低的泄电流,大概是1pA/micron的水平。格罗方德也强调了FD-SOI可以在0.4V事变的上风,说这是险些一切手艺最小的事变电压点,风趣的是,假如电压低于0.4V今后,泄电流反而会增添了所以0.4V是个很不错的事变电压点。

从意法半导体的FD-SOI生态体系建立可以看出从产品、晶圆厂到EDA东西再到IP到设想效劳和产品,FD-SOI有完整的产业链了。

FD-SOI在模仿射频集成上的上风

ST和其他厂家都强调了FD-SOI在模仿和射频上大的上风。ST以为FD-SOI更有助于完成更模仿器件更高带宽、更低功耗和更小面积。ST还用时候测试参数证明了FD-SOI在模仿设想上的上风

格芯领先推出相符AEC-Q100规范的FD-SOI手艺

为了加快FD-SOI的运用速率,格芯已抢先一步,其22纳米FD-SOI(22FDX)手艺平台已由过程AEC-Q100(2级)认证,预备投入量产。作为业界相符汽车规范的先进FD-SOI制程手艺,格芯的22FDX平台融会周全的手艺和完成设想才能,旨在进步汽车IC的机能和效能,同时依然相符严厉的汽车平安和质量规范。

跟着汽车电子零件产品的敏捷提高,关于效能和平安性的律例不停增加,半导体零件元件的质量和可靠性变得比以往更加症结。作为AEC-Q100认证的组成部份,零件必需在一段时候和普遍的温度局限内,胜利完成可靠性压力测试,以取得2级认证。格芯相符汽车规范的22FDX手艺恰是汽车制作商和供给商完成高度集整合的汽车级IC疾速集成所需的手艺。而作为公司AutoPro平台的一部份,22FDX让客户能轻松将其汽车微控制器和ASSP转至更加先进的手艺,同时应用显著逾越协作手艺的尺寸、机能和效能上风。另外,这个经由优化的平台为汽车雷达运用供给高机能射频和毫米波功用,并增援在MCU中实行逻辑、Flash、非挥发性存储器(NVM),也增援高压零件,以满足车用IC的奇特请求。

MOSFETs 和IGBT齐头并进,第三代半导体功率器件放量期近

功率器件细分产品主要包括MOSFETs,功率模块,整流桥,IGBT 等。据Yole Development统计和展望,17-21年功率器件市场范围CAGR 为5.39%,个中MOSFETs(5.23%),IGBT(9.02%),功率模块(6.20%),二极管(2.8%),晶闸管(2.71%),整流桥(4.72%)。

MOSFETs 和IGBT是新动力汽车组织的主力军,它们的生长水平可以说决议了新动力汽车手艺将来的走势。细致的引见一下这哥俩的本领:

起首提高一下半导体芯片学问:现在,贸易战当前的背景下,先进的半导体芯片获得了愈来愈多的注重。实在,半导体芯片在生活中的运用场景有许多,主要有:

逻辑半导体——运用于电脑和种种挪动终端中的中心盘算芯片;

存储半导体——我们手机的RAM、ROM等;

功率半导体——普遍运用于汽车、高铁、电力行业的种种功率芯片,个中最著名非IGBT莫属。

说到IGBT就不得不提SIC,作为第三代半导体,它具有高击穿电场、高饱和电子速率、高热导率、搞电子密度、高迁移率等特性,因此也被业内誉为固态光源、电力电子、微波射频器件的“核芯”以及光电子和微电子等产业的“新发效果”,而SIC给新动力汽车带来了新的生机。虽然同为第三代半导体材料,但由于SiC和GaN的机能差别,所以运用的场景也存在差异化。GaN的市场运用倾向高频小电力范畴,集合在1000V以下;而SiC 适用于1200V 以上的高温大电力范畴,二者的运用范畴覆盖了新动力汽车、光伏、机车牵引、智能电网、节能家电、通讯射频等大多数具有辽阔生久远景的新兴运用市场。

但与GaN 比拟,SiC热导率是GaN的三倍以上,在高温运用范畴更有上风;同时SiC单晶的制备手艺相对更成熟,所以SiC 功率器件的品种远多于GaN。SiC电力电子器件主要包括功率二极管和三极管(晶体管、开关管)。SiC功率器件可以使电力电子体系的功率、温度、频次、抗辐射才能、效力和可靠性倍增,带来体积、分量以及本钱的大幅减低。而且,以 SiC为材料的二极管、MOSFET、IGBT 等器件将来有望在汽车电子范畴庖代 Si。对照现在市场主流1200V 硅基IGBT 及SiC MOSFET,可以发现 SiC MOSFET 产品较Si基产品可以大幅削减Die Size,且表现机能更好。然则现在最大障碍仍在于本钱,依据Yole Développement测算,单片本钱SiC比Si基产品凌驾 7-8 倍。

因此跟着SiC近期产业化进度加快,上游产业链入手下手扩展范围和锁定货源。整顿环球SiC制作龙头Cree通告发现,近期碳化硅产业化进度入手下手加快,ST、英飞凌等中游厂商入手下手锁定上游。预计到2025年SiC功率半导体的市场范围有望到达30亿美圆。在将来的10年内,SiC 器件将入手下手大局限地运用于产业及电动汽车范畴。该市场增进的主要驱动要素是由于电源供给和逆变器运用愈来愈多地运用 SiC 器件。

大红大紫的IGBT

IGBT这个词你大概从没听过,但它一向在我们身旁默默效劳。小到微波炉、变频空调、变频冰箱,大到新动力汽车、高铁,以至航母的电磁弹射,IGBT都不可或缺。IGBT是能量变更和传输的中心零件。罕见的强电只要50Hz交换电,变压器只能转变它的电压。有了IGBT这类开关,就可以经由过程电路设想和盘算机控制,转变交换的频次,或许把交换变直流。

IGBT可以按功用把它理解为电路开关,非通即断。它就像家里的电灯开关,只不过是由电信号控制,能蒙受几十到几百伏电压、几十到几百安电流的强电,每秒钟开关频次最高可达几万次。

但是IGBT的雏形是二极管,下面我们回到高中化学由浅及深,逐渐引见IGBT风趣的事变道理:

二极管由半导体材料比方硅Si制作出来,Si的价电子层有四个电子,会跟相邻的四个Si原子构成共价健。电流的传导须要自由电子,而共价键比较稳定,险些没有过剩电子。怎样办呢?智慧的科学家想出一个方法——搀杂。比方用价电子为5的磷P置换Si,自由电子发生了。用价电子为3的硼B置换另一块Si,空穴发生了。就如许,萝卜和坑都有了。

因此,前者被称为N型半导体,后者被称为P型半导体。将N型和P型攀亲后生出来的产品就是二极管。在两种半导体的交界限,风趣的事变发作了。交界处的空穴和电子,在互相吸引下,“牵手”胜利。

接下来,难度升级,提高一下MOSFET:

MOSFET,又简称MOS管,金属(metal)、氧化物(oxide)、半导体(semiconductor)场效应晶体管,平常潜伏在电脑手机中。MOS管的设想也异常风趣。和二极管雷同,MOS管的N部份、P部份交界处也会发生内电场,阻挠电子散布,此时没有电流。

下面我们接通电源,底部N部份电子向正极挪动,空穴向相反方向挪动,底部N与P交界处内电场延续增大,即电路断开。

反向接通电源,也是云云,在上端的N型半导体与P型半导体交界处,内电场增大,电路照旧处于断开状态。那末,怎样才能让电路接通呢?

智慧的工程师又来了,他在P部份上方到场金属板和绝缘板,又称为栅级。

源极与漏极电压稳定,栅源加正电压,奇异的征象再次发作了。栅极将P部份电子吸引到绝缘板四周,空穴被添补,此处电位逐渐变化到和两旁N部份雷同,因而一条通道翻开了。

以后电子在源极、漏极电压驱动下活动,发生电流,电路接通。

下降栅极电压,通道封闭,电路也就闭合了。栅极的存在,使得MOS管只须要很小的驱动功率,而且开关速率快。

实在IGBT的组织和MOS管异常靠近,只是反面增添N+和P+层。

别小视这个“+”,“+”意味着更高的自由电子或许空穴密度。从而IGBT在保存MOS管长处的同时,增添了载流才能和抗压才能。在新动力汽车上,IGBT担任交换直流转换、高低压转换,决议了整车的功率开释速率和动力效力。IGBT能让电机在霎时迸发庞大能量,也能霎时削减输出,还能依据用电需求对电机变频调速,下降能耗,增添续航,被称作是电机驱动体系最中心的元件,当之无愧。

IGBT的运用范畴也是应有尽有,按电压散布的运用范畴:

1.新动力汽车

IGBT模块在电动汽车中发挥着至关主要的作用,是电动汽车及充电桩等装备的中心手艺部件。IGBT模块占电动汽车本钱快要10%,占充电桩本钱约20%。

IGBT主要运用于电动汽车范畴中以下几个方面:

A)电动控制体系 大功率直流/交换(DC/AC)逆变后驱动汽车电机;

B)车载空调控制体系 小功率直流/交换(DC/AC)逆变,运用电流较小的IGBT和FRD;

C)充电桩 智能充电桩中IGBT模块被作为开关元件运用;

2.智能电网

IGBT普遍运用于智能电网的发电端、输电端、变电端及用电端:

从发电端来看,风力发电、光伏发电中的整流器和逆变器都须要运用IGBT模块。

从输电端来看,特高压直流输电中FACTS柔性输电手艺须要大批运用IGBT等功率器件。

从变电端来看,IGBT是电力电子变压器(PET)的症结器件。

从用电端来看,家用白电、 微波炉、 LED照明驱动等都对IGBT有大批的需求。

3.轨道交通

IGBT器件已成为轨道交通车辆牵引变流器和种种辅佐变流器的主流电力电子器件。交换传动手艺是当代轨道交通的中心手艺之一,在交换传动体系中牵引变流器是症结部件,而IGBT又是牵引变流器最中心的器件之一。

生长状态

现在,IGBT已历了6代手艺及工艺革新。而经由这么多年的生长,从组织上看,IGBT主要有三个生长方向,分别是IGBT纵向组织、IGBT栅极组织和IGBT硅片加工工艺。而在这三个方面的改进过程当中,厂商聚焦在下降消耗和下降生产本钱两个方面。跟着IGBT芯片手艺的不停生长,芯片的最高事变结温与功率密度不停进步,IGBT模块手艺也要与之相适应。将来IGBT模块手艺将缭绕芯片反面焊接牢固与正面电极互连两方面革新。模块手艺生长趋向:无焊接、无引线键合及无衬板/基板封装手艺;内部集成温度传感器、电流传感器及驱动电路等功用元件,不停进步IGBT模块的功率密度、集成度及智能度。

外洋垄断趋向显著

从市场协作款式来看,美国功率器件处于天下抢先职位,具有一批具有环球影响力的厂商,比方TI、Fairchild、NS、Linear、IR、Maxim、ADI、ONSemiconductor、AOS和Vishay等厂商。欧洲具有Infineon、ST和NXP三家环球半导体大厂,产品线完全,不管是功率 IC 照样功率星散器件都具有抢先气力。

日本功率器件厂商主要有Toshiba、Renesas、NEC、Ricoh、Sanke、Seiko、Sanyo、Sharp、Fujitsu、Toshiba、Rohm、Matsushita、Fuji Electric等等。日本厂商在分立功率器件方面做的较好,但在功率芯片方面,虽然厂商数目浩瀚,但许多厂商的中心营业并不是功率芯片,

团体来看,台湾功率厂商的生长较快,手艺方面和国际抢先厂商的差异进一步减少,产品主要运用于盘算机主板、显卡、数码产品和 LCD 等装备而中国大陆功率半导体市场占天下市场的50%以上,但在中高端MOSFET及IGBT主流器件市场上,90%主要依靠入口,基础被外洋西欧、日本企业垄断。2015年国际IGBT市场范围约为48亿美圆,预计到2020年市场范围可以到达80亿美圆,年复合增进率约10%。

2014年国内IGBT销售额是88.7亿元,约占环球市场的1∕3。预计2020年中国IGBT市场范围将超200亿元,年复合增进率约为15%。

SiC VS IGBT,鹿死谁手

车用功率模块(当前的主流是IGBT)决议了车用电驱动体系的症结机能,同时占电机逆变器本钱的40%以上,是中心部件。现在,IGBT约占电机驱动器本钱的三分之一,而电机驱动器约占整车本钱的15~20%,也就是说,IGBT占整车本钱的5~7%。2018年,中国新动力汽车销量按125万辆盘算的话,均匀每辆车约莫斲丧450美圆的IGBT,一切车共需斲丧约5.6亿美圆的IGBT。虽然说IGBT在新动力范畴红得发紫,然则SiC也不甘示弱,将来怎样生长也不好定论。

SiC的长处在于:

1、SiC器件的事变结温在200℃以上,事变频次在100kHz以上,耐压可达20kV,这些机能都优于传统硅器件;

2、SiC器件体积可减小到IGBT整机的1/3-1/5,分量可减小到40-60%;

3、SiC器件还可以提拔体系的效力,进一步进步性价比和可靠性。在电动车的差别工况下,SiC器件与IGBT的机能对照状态显现了在差别工况下,SiC的功耗下降了60-80%,效力提拔了1-3%,SiC的上风可见一斑。

团体来看,SiC想要庖代IGBT,还须要处理良率、本钱及可靠性等多方面困难。换句话说,假如SiC的性价比比不上IGBT,那末想要取而代之,大概性很小。

另外,从产业链角度看,碳化硅包括单晶衬底、外延片、器件设想、器件制作等环节,但现在环球碳化硅市场基础被在外洋企业所垄断。在环球市场中,单晶衬底企业主要有Cree、DowCorning、SiCrystal、II-VI、新日铁住金、Norstel等,外延片企业主要有DowCorning、II-VI、Norstel、Cree、罗姆、三菱电机、Infineon等,器件方面,环球大部份市场份额被Infineon、Cree、罗姆、意法半导体等少数企业朋分。

团体而言,由于制作本钱与产能等要素,早期SiC功率元件在新动力汽车市场的渗入率不高。但跟着手艺的不停提拔,预估2023年前后市场会有显著生长,对IDM(国际整合元件制作商)大厂而言,延续拓展产品线多元化运用、下降制作本钱并提拔产能,将是拓展市场的重点。

IGBT与SiC不管是在功用上和运用上都有着精彩的表现,将来有多是齐头并进照样庖代其一,让我们拭目以待吧。

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