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新能源汽车的下一个风口,超全面解析

新能源汽车的下一个风口,超全面解析

何谓自动驾驶?都包括哪些?

从产业链角度按照产业上下游将其分为了感知、计算平台、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。

新能源汽车的下一个风口,超全面解析(技术篇)

 


感知

在线播放免费人成动漫视频自动驾驶汽车的感知部分,主要由摄像头、激光雷达、毫米波雷达、超声波雷达等多种方式共同组成。

 

由于各种感知方式在不同环境、不同距离、不同作用上各有所长,因此采用多传感器信息融合的方式有利于保证全方位信息的收集,进而使计算机做出更加精准的判断和规划。

 

激光雷达

在线播放免费人成动漫视频目前,激光雷达的生产厂商集中在国外,包括美国Velodyne公司、Quanegy公司以及德国的Ibeo公司等,国内激光雷达初创公司也在尽力追赶。

 

新能源汽车的下一个风口,超全面解析(技术篇)

 


 

激光雷达的穿透距离远,高性能激光雷达可以实现200米范围内,精度高达厘米级的3D场景扫描重现,从而帮助自动驾驶系统实现提前行驶路线规划。

 

目前来看,多线激光雷达很有可能是未来无人车的必备传感器,并且与高精度地图及驾驶系统核心算法紧密相关。目前,多线激光雷达还没有针对车规级的成熟量产方案,机械旋转式多线激光雷达虽然已在普遍应用,但体积较大且价格过于昂贵,更小型更低成本的纯固态激光雷达还未见到成熟产品。

 

国内有不亚于国外的光机电技术基础,产业链比较完整,因此,诸多深耕激光雷达领域的公司还有不小的机会。

 

毫米波雷达、超声波雷达

在线播放免费人成动漫视频除了激光雷达之外,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,参与多传感器信息融合感知设备。其中,最为知名的例子就是特斯拉在其智能汽车中,完全没有使用激光雷达,而采用毫米波雷达+摄像头的方案。

 

另外,类似博世、大陆这样的智能辅助驾驶巨头,也在毫米波雷达和超声波雷达这样成本较低传感器设备上,拥有比较深刻的技术积累和应用经验。

 

而在国内,像行易道这样的毫米波雷达厂商,也在积极进行技术开发,追赶国际巨头水平。

 

不过,归根结底,特斯拉还只是高级辅助驾驶系统(ADAS),而当操作主体,也就是责任主体向机器转移时,仅仅通过摄像头和毫米波雷达实现自动驾驶功能是不够的,激光雷达所带来的功能性安全冗余非常必要。

 

摄像头(计算机视觉)

目前,通过摄像头进行拍摄,在进行图像和视频识别,确定车辆前方环境,是自动驾驶汽车的主要感知途径,这也是很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广,因此在数据收集反馈、工程化等方面,ADAS公司也处于领先地位。

 

国内双目ADAS公司中科慧眼CTO崔峰就表示,在未来无人驾驶汽车中,摄像头(双目)将成为重要的感知部分,中科慧眼未来努力的目标,也是为自动驾驶汽车,乃至各类出行机器人提供机器视觉方面的技术支持。

 

在线播放免费人成动漫视频目前,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原理,可以在数据量不足的情况下,测定车辆前方环境(树木、行人、车辆、坑洞等),并且获得准确的距离数据,用以提供给自动驾驶系统进行车辆控制。

 

而单目摄像头,主要基于机器学习原理,使用大量数据进行训练,进行环境识别。尽管需要大量数据支持,且在恶劣光线条件下的表现不如双目摄像头,但其相对便宜的价格以及成熟的技术也获得了一部分公司的青睐。

 

在单目ADAS领域,以色列公司Mobileye是世界最顶尖的企业,而中国公司与这样的国外巨头依然存在一定的差距。

 

在线播放免费人成动漫视频汽车通讯,主要可以分为两个方面。

 

第一,是车联网系统。

通过车载通讯设备,完成人与车、车与车、车与环境的信息交互,一方面可以完善运营车辆(出租车、网约车、公交车、物流货车等)和道路交通(如红绿灯)的调度安排,另一方面可以减少车辆的感知设备投入,将车辆及环境采集到的信息与车辆自身采集的信息相融合,从而实现自动驾驶功能。

 

在线播放免费人成动漫视频不过,车联网(包括V2X,车辆对外界信息交换)的发展,除了需要大大小小各家公司的努力之外,同样需要政府和相关机构的帮助。

 

在线播放免费人成动漫视频首先是制定V2X通讯标准,欧美在此前就已经将DSRC标准列为了其车辆通讯标准,而国内则是LTE-V标准的呼声比较高。

 

另外,车联网不仅仅局限于车辆上的通讯系统配备,还涉及到道路交通基础设施建设。目前,杭州、南京、北京等地,都已经开始了智慧城市和智慧交通的试点。

 

车联网技术的前身,TelemaTIcs(远距离通信与信息科学),在很早以前就已经出现,而大概在四五年前,由于物联网的兴起,出现了“车联网”这个词。其更大的作用,不仅限于保证自动驾驶功能运行,而在于未来车辆中内容行业的发展。

 

第二,是高精度地图。

高精度地图是自动驾驶汽车实现路线规划的基础,这些年,卫星导航和基于激光雷达的3D环境建模技术日益成熟,高精度地图测绘质量逐步提升,这为自动驾驶的研发提供了不小的助力。

 

在线播放免费人成动漫视频国内高精度地图,以百度地图、高德地图、四维图新等公司为主力;而国外方面,Here、TomTom等公司一直备受称赞。

计算平台

在线播放免费人成动漫视频自动驾驶系统的计算量、数据流都非常大,同时又需要较快的反应速度,因此就需要匹配合适效能的计算资源,保证计算工作的正常运行。

 

自从吴恩达发现GPU非常适合进行深度神经网络训练以来,英伟达就在这一次的人工智能浪潮之中大发了一笔横财。目前,据不完全统计,全球已有超过1500家人工智能初创公司使用英伟达的产品,其中还有不少自动驾驶技术公司。

 

在2017年CES上,英伟达发布了最新的车载计算平台“XAVIER”,其512 个Volta CUDA 核心可提供高达30TOPS的计算性能,并且功率只有30W,远远优于Drive PX2。

 

而在国内,人工智能创业圈子中声名赫赫的地平线机器人,也正在研发其基于FPGA架构的大脑引擎(BPU),而代号为“高斯”的计算构架IP预计在2017年底推出。

 

不过,综合来看,自动驾驶计算平台的争夺战依然主要在国际巨头之间展开,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供应商,都正在瞄准这一领域发力,未来的竞争激烈程度可见一斑。

车辆控制

自动驾驶汽车不仅仅是感知和算法,它还涉及到车辆控制、汽车动力学、汽车工程等诸多技术学科,同时需要汽车控制(刹车、转向、灯光、油门等)配件的支持。

 

目前,自动驾驶执行相关的技术和部件产品将依然长期掌控在大型Tier1手中。如博世、大陆、Delphi等传统的Tier1掌握的执行控制专利技术已经可以支撑到自动驾驶阶段,无论在性能还是价格上都有绝对的优势。

 

此外,由于电动汽车技术的快速革新,传统汽车制造业受到了冲击,此前发动机和变速箱等壁垒技术,逐渐被车辆电控、电动机、电池等技术取代。这种变革,让创业团队自己造车成为了可能。

 

因此,国内外众多电动汽车、互联网造车、智能汽车企业极有可能成为自动驾驶汽车行业的新贵。

 

算法是自动驾驶汽车关键步骤

目前,大多数踏入自动驾驶行业的初创公司,可以看作算法集成层面的公司。

 

他们利用高精度地图进行路线规划,采用新型计算平台,整合多传感器信息,开发相应的车辆控制算法对汽车进行行为控制。

 

目前,自动驾驶技术公司的两级分化比较严重,一方面是看准时间和角度切入的初创企业,另一方面则是大型互联网科技巨头,如谷歌、百度、Uber等。此外,像博世这样,少量拥有相对完整的产业链结构的Tier1,也在踏足这一领域。

 

智能驾驶系统中十分依赖算法和数据,在控制层处中枢地位,深度学习是提升精度的终极方案。传感层识别外界物体、收集信息后输入到控制层,控制层利用视觉算法、传感器融合算法、路径规划算法进行物体识别、轨迹预测。传统算法识别精度已接近阈值,难以完全胜任对复杂的驾驶场景进行信息识别。通过人工智能、深度学习可以极大优化算法架构提升识别能力。基于人工智能技术对行人等难度较大的物体识别率稳步突破90%,接近可应用水平。国外巨头已逐步应用于产业化,国内的优势在于丰富的算法资源与近年来大量AI 人才往这个方向转移,弱势在于缺乏汽车实测经验和数据。

 

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举个例子说明一下:

经典智能驾驶算法:目标物体识别和路径规划

 

在线播放免费人成动漫视频在人工智能和深度学习应用之前,经典的无人驾驶算法以目标物体识别和路径规划为核心,分为六个步骤: 前处理→前景分离→物体分类→结果改进→物体追踪→应用层面前五个部分是感知识别算法的核心步骤,最后一个部分则通常指后续的物体行为预测、路径规划。

 

1)物体识别技术

 

Step1,前处理

 

在线播放免费人成动漫视频底层机器视觉算法,通常包含摄像头曝光、增益控制、摄像头标定校准等步骤。由于路况复杂多变而实时性要求很高,因而智能驾驶中对前处理算法的要求极高。

 

Step2,前景切分

 

在线播放免费人成动漫视频前景切分的目的是尽可能过滤与待识别物体无关的背景信息(例如天空),并且将图像切分为适宜大小。一个好的前景切分算法可能将原先的200k-1000k 个待识别区域缩小到20k-40k,大大减轻后续处理负担。

 

Step3,物体识别

 

将上一步骤生成的大量待识别区间归类为数百种已知的可能在道路上出现的物体,并且尽量减少误判。

 

Step4,验证与结果改进

 

使用与分类方法不同的判据来验证分类的结果可靠性,并提取被归类为特定物体的待识别区间中更加详细的信息(例如交通标志)。

 

Step5,物体跟踪

 

这一步骤的目的有二。除了为应用层提供物体轨迹外,还能为前景切分、物体分类提供输入(告诉前景切分之前这个地方出现过什么)。目前最为常用的算法是卡尔曼滤波算法(用来跟踪、预测物体轨迹,根据过去空间位置预测未来位置)。

未来汽车的风向标—新能源汽车

在线播放免费人成动漫视频汽车行业一直致力于节能减排。这里一部分原因是受到更加严格的二氧化碳减排规则限制:比如新的欧盟委员会规则要求到2021年将平均车辆排放量减少到95g CO2/公里等。同时越来越多的中产阶级也充分意识到减少燃料消耗可以节省资金,减少对健康和环境的影响,有助于提高生活质量,这都直接增加了对新能源汽车的需求。

 

新能源汽车电子化显性增量——电机电控&电池

和燃油发动机的汽车相比,纯电动汽车使用电动机代替了燃油车的柴油/汽油发动机;以电池组代替了燃油,为电动机提供动力;其中还有一个最主要的部件就是电控系统,电控系统由电池管理系统和控制系统构成,管理电池组和控制电池的能量输出以及调节电动机的转速等,是连接新能源电池和电机的重要中间载体。从电子产品价值量上来看,电机和电控系统也是新能源汽车相对传统汽车而言最大的成本增量,目前乘用车电机价值量大约在1000美元,控制器价值大约在1000美元。考虑电机和控制器,再加上其他的电子配件,电动汽车成本较传统汽车的价值增量超过2000美元。

 

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其中,内部的核心构造在未来将成为各大厂商必争的一块地盘,下面我们就来详细的了解一下。

 

电动车主题分为四大部分:锂电池、燃料电池、电控系统和驱动电机。

 

1.电机驱动部分

 

在线播放免费人成动漫视频目前新能源汽车电机主要分为4类:直流电机、异步电机、永磁同步电机和开关磁阻电机。目前在乘用车上永磁同步电机和交流异步电机是应用最广泛的电机形式:当前美国车企和部分欧洲车企偏爱交流异步电机,主要存在三方面原因:第一,交流异步电机价格低廉,从成本上考虑具有优势;第二,美国汽车的车型相对较大,这恰与交流异步电机体积不发生冲突;第三,美国高速路网发达,这使得交流电机的高速区间效率性能表现得尤为突出。相反,在中国、日本等其他国家永磁同步电机在新能源汽车上使用最为广泛。从电机装机数量上来看,永磁同步电机装机量更高,从综合性能上看,永磁同步电机最具优势,故而永磁电机装机量占比较高。

 

2. 电控系统

 

新能源汽车控制系统部分则包括电池管理系统(BMS)、发动机电子控制单元(ECU)、发电机控制器(GCU)、离合器控制单元(CCU)、电机控制器(MCU)、变速器控制系统(TCU)和整车控制器(VCU)。其中核心是BMSVCU和MCU。

 

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整车控制系统(VCU)

整车控制系统是实现整车控制决策的核心电子控制单元,一般仅新能源汽车配备、传统燃油车无需该装置。VCU通过采集油门踏板、挡位、刹车踏板等信号来判断驾驶员的驾驶意图;通过监测车辆状态(车速、温度等)信息,由VCU判断处理后,向动力系统、动力电池系统发送车辆的运行状态控制指令,同时控制车载附件电力系统的工作模式;VCU具有整车系统故障诊断保护与存储功能。

 

电机控制器(MCU)

电机控制器(MCU)通过接收VCU的车辆行驶控制指令,控制电动机输出指定的扭矩和转速,驱动车辆行驶。实现把动力电池的直流电能转换为所需的高压交流电、并驱动电机本体输出机械能。车用MCU在汽车中的应用呈现出多样性,从简单的车灯控制到复杂的发动机控制、汽车远程通信实现,高、中、低端MCU在汽车中都可以发挥作用。不同汽车电子系统对MCU的要求是不同的,也就决定了车用MCU的多样性。一辆汽车至多需要50颗MCU,应用领域遍及安全应用、车体控制、动力能源相关等,其中电动汽车分别在EV主反相器、EV辅助反相器、EV HV/LV DC/DC、EV AC/DC充电部件比传统汽车多需要4颗MCU,其中32位MCU单价在3-15美元,16位MCU单价在3-5美元,8位单价在1-3美元。总体而言,单车MCU价值在102-484美元。

 

电池管理系统(BMS)

作为保护动力锂离子电池使用安全的控制系统,时刻监控电池的使用状态,通过必要措施缓解电池组的不一致性,为新能源车辆的使用安全提供保障。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、电气系统、热管理系统、箱体和BMS。

 

在线播放免费人成动漫视频目前,国内参与BMS企业有3类:

1)动力电池企业:目前国内第一梯队动力电池企业均涉足,且大多是“BMS+PACK”模式,掌握了动力电池电芯到电池包的整套核心技术,具有较强的竞争实力。代表企业有BYD、(宁德)CATL、中航锂电、国轩高科等。

2)整车企业:整车企业对电芯的参与较少,一般通过兼并购、战略合作等方面进入,而BMS则为大的企业重点考虑的领域。国内如长安、北汽、吉利等车企均有专门的研发团队进行BMS的研发,除了核心技术的掌握外,在成本和效率方面较其他企业有较强的竞争力。

3)第三方BMS企业:目前国内第三方BMS企业仍占据主要位置。一部分由动力电池BMS企业,另一部分是传统数码电池及BMS企业转型而来。相对来讲,作为专业的第三方BMS企业,技术积累有天然的优势。

 

电池—让人又爱又恨的关键部件

电池作为电动汽车的动力源,一直以来被视为电动汽车发展的重要标志性技术,也是制约电动汽车发展的重要瓶颈,其性能好坏直接影响到驱动电动机的性能,进而影响整车的行驶性能和排放性能。考虑到新能源汽车电池工作环境的复杂多变性,并需保持稳定持久的电能来源。

 

从新能源汽车电池类型上来看,新能源汽车中的电池包括酸铅电池、镍氢电池、锂离子电池等。目前,锂离子电池(锂离子电池和锂聚合物电池)除在价格和安全性方面处于劣势以外,其他方面均处于领先地位,目前已经逐渐成为主流的新能源汽车电池形式,而创新性锂聚合物电池将会是未来研发重点。

 

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电池成本是整车正本最高的部分,占整车成本的10%-15%以上。也是新能源汽车价值量最高的部件之一。以特斯拉为例,特斯拉的动力电池由7000多颗18650电芯构成的电池总成,按照单颗电芯价值2-3美元计算,特斯拉电池成本高达1.5万-2万美金。而国内新能源车电池价格也普遍在5-10万元左右。

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高电压下电池零部件的潜在变化

在线播放免费人成动漫视频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。就已经实现量产的混动车而言,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)。一般而言传统汽车的电池电压为12V。

 

无论是纯电动车还是混动车,汽车的电池电压相对传统汽车发生大变化,由此带来汽车内部核心零部件的变化:

 

更多的DC-DC变换电路

汽车上传统负载,如空调、雨刮器等,采用12V电压,而电池输出为48V甚至更高的电压,需要大量的电压转化模块(DC-DC)模块进行电压转换。这其中就用到了更多的功率半导体和被动器件(变压器等)。

 

对电性能更高的要求

在线播放免费人成动漫视频汽车内部电压、电流大幅提高,需要耐大电压、大电流的继电器、连接器、线缆和被动器件,同时在防止漏电、短路等性能上也需要大幅提升。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、连接器、线缆、被动器件等),将有效打开汽车电子企业成长天花板。

在线播放免费人成动漫视频新能源汽车电子化隐性增量——功率半导体量价齐升

 

在线播放免费人成动漫视频预估,全球燃油车年产量年均增速要远远低于新能源汽车的增速。而车用半导体、PCB、继电器、连接器、被动器件、LED车灯的复合增速远快于汽车市场平均增速。其中车用半导体部分,以功率半导体增量最为显著。传统电子制造企业将深度受益于汽车新能源化带来的电子零部件升级机遇。

 

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在线播放免费人成动漫视频分立器件是重要的电子元器件,广泛应用在计算机、通信、消费电子、汽车电子、工控等领域。目前全球分立器件的市场规模在200亿美元左右,作为汽车电能转换和控制的核心部件,车用功率半导体占比约为42%,是最大的应用市场。分立器件按照产品类型来分,包括半导体二极管、三极管、MOS、整流器、以及保护和滤波器件等。功率半导体器件是电能转换和控制的核心部件,设计成本小,通用性强,应用领域广,发展空间大。

 

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汽车电子用分立器件主要集中在1)前装汽车动力总成和驱动。汽车作为封闭系统,内部的电力输出,需要通过功率器件的转化实现,和车上机械系统进行配合使用,实现所谓“机电结合”。尤其在以电力驱动马达的新能源汽车和混合动力汽车中,功率器件的重要性更为显著突出2)后装车载信息系统,是在汽车环境下能够独立使用的电子装置,和汽车本身的性能并无直接关系,这类电子产品具体包括汽车信息系统(行车电脑)、导航系统、汽车音响及电视娱乐系统、车载通信系统、上网设备等。后装用到的分立器件,以逻辑器件为主,还有接口部分的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量级。随着新能源电动车电池动力模块使用大量的电力设备,而电力设备中都含有功率半导体器件。因此新能源电动汽车中的功率半导体器件使用量大大增加。

 

为何新能源汽车如此受到大众的青睐?这就要从他的构造变化说起。汽车电子可分为动力控制系统、车载车身电子以及安全控制系统。新能源汽车和传统汽车电子方面主要区别在于动力控制系统。传统的燃油汽车动力控制系统包括电子点火系统、电子燃油喷射系统等;而新能源电动汽车则包括动力电池系统、驱动电机和电控系统。新能源电动汽车出现了重大变化,简而言之,汽车将不再需要汽油发动机,油箱或变速器。决定电动汽车性能的关键部件是电动机,PCU(即逆变器,DC / DC转换器)以及其他核心电气部件。车内电气部件的平均比例将会大幅上升。

 

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从电动动力系统应用看汽车零部件的变化,传统汽油车辆具有冷却系统,燃料供应系统和冷却/加热系统的发动机布局。混合动力汽车具有汽油发动机车辆和混合动力车专用系统的组合,整个系统较为复杂。随着这些车辆演变成电动车辆,则不再需要与发动机相关的部件。新能源电动汽车比汽油车和混合动力汽车具有更简单的结构。

 

刚才说到,电动车在结构上发生了翻天覆地的变化,其中逆变器和车载充电器是典型的装置,简单介绍一下:

 

逆变器——电动汽车配备有大容量可充电电池,其利用储存的能量来驱动电动机并为汽车供电。可充电电池不能直接连接到电机,它们通常通过电机逆变器连接,简称为逆变器。逆变器通常将DC12V的直流电转换为和市电相同的AC220V交流电。

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车载充电器——交流充电桩提供的是交流电(AC 100V-240V),而高压锂离子电池(LIB)需要用直流(DC)充电,因此充电器必须要有直流转换器。车载充电器电压范围一般在85V-265V,这样使得车辆可以在世界任何地方充电。在车载充电器中有大量的功率三极管作为功率开关器件使用。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

当半导体工艺制程发展到22纳米时,为了满足性能、成本和功耗要求,延伸发展出FinFET和FD-SOI两种技术。由于半导体龙头英特尔主导推广FinFET技术,并得到晶圆代工大厂台积电的支持,使得FinFET技术大行其道。FinFET工艺和FD-SOI工艺均由胡正明教授发明,其实这两个工艺真的是互补的,如果用汽车发动机来比喻的话,FinFET像是通过某种方法拓展了排量的自然吸气发动机而SOI有点涡轮增压。不同的实现方法试图达到同一件事:使栅极对沟道拥有更好的控制。

 

不过,最近几年FD-SOI工艺越来越受业界关注,格芯、三星、索尼、ST、芯原微电子等产业厂商在FD-SOI技术上的投入越来越大,其技术优势和应用前景也越发地被看好。

 

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随着汽车市场在不断地增长,中国的增长速度超越了市场平均增速,达到12.4%。预计到2020年,平均每辆汽车上的芯片将会达到1500美元。而诸如新兴的ADAS、车联网、信息娱乐系统、动力系统等涉及的芯片或传感器等可采用FD-SOI工艺,FD-SOI在汽车当中的应用十分广泛,并且随着汽车电子演进而不断发展,每辆汽车平均有100平方毫米的FD-SOI面积。

在线播放免费人成动漫视频业界之所以如此看好FD-SOI在汽车领域的发展前景,得益于技术上的优势:一方面,FD-SOI的优势之一为采用正向体偏压技术(FBB),可以用软件控制实现功耗、性能动态平衡,而且易于集成RF如收发器以及非易失性存储单元,在汽车电子等领域有独特优势。另一方面,汽车智能化、网联化使边缘AI及分布式AI成为必须,需要更高性能更低功耗;5G日益成熟,需要RF高集成;汽车ADAS需要雷达集成降低成本等,FD-SOI技术优势与应用需求成功“对接”,使得FD-SOI迎来最好时光。

技术不断推进


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FD-SOI生态系统

FD-SOI要求设计衬底在掩埋绝缘层的单晶硅层非常薄,以确保沟道区完全耗尽。FD-SOI衬底的主要供应商是Soitec,SEH是第二大来源。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纳米工艺计划投产),以及格芯代工厂(22纳米工艺投产中,12纳米计划投产)。各大厂商研发进展情况如下:

 

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纳米体工艺相比,28纳米FD-SOI工艺的性能提高了32 % - 84 %。ST Micro也与CEA Leti一同开发了一种14纳米工艺,但是还没有投入生产。据报道,ST Micro已经开始与格芯合作开发格芯的22FDX FD-SOI工艺,因此长远来看ST Micro可能不会继续生产他们自己的FD-SOI,而是可能会转向这种技术的无晶圆厂模式。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的产量可能不大。

 

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在线播放免费人成动漫视频ST认为FinFET和FD-SOI都是耗尽型晶体管技术,只是旋转方向不同而已。

 

三星

三星获得了ST Micro的28纳米FD-SOI工艺许可,并利用它创建了三星的28纳米FDS工艺。28 FDS于2015年投入生产,目前正在大批量生产17种产品。三星正在开发一项第二代18纳米工艺,将于明年完成。28FDS为射频应用、嵌入式MRAM非易失性存储器提供达400 GHz以上的最大频率(fmax),并可应用于汽车。28FDS有一个1.0伏的Vdd。

 

格芯(GF)

在线播放免费人成动漫视频格芯的22FDX工艺于2017年投入生产,提供400 GHz fmax、嵌入式MRAM非易失性存储器,并可应用于汽车。对于低功耗应用,22FDX可以在低至0.4伏的电压下工作。有四种版本可供选择:低功耗、高性能、低泄漏或射频与模拟。22FDX的前端基于ST Micro 14纳米工艺,后端优化了成本,有两个双层曝光层,其余层为单层曝光。

 

第二代12FDX工艺原本应在2019年推出,但格芯推迟了该工艺的推出,因为客户现在才设计和升级22FDX产品。12FDX的开发进展顺利,将根据需要推出,我们估计推出时间将在2020年左右。

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在线播放免费人成动漫视频从各大厂商工艺指标对比可看出,三星和ST Micro的工艺密度指标。就目前的FD-SOI产品而言,格芯的22FDX毫无疑问在密度方面领先,同时也提供了最低的工作电压。三星计划的18FDS工艺可能比格芯目前的FDX22工艺稍密,但格芯计划的12FDX工艺将再次确立格芯在FD-SOI密度方面的领导地位。

 

为什么要选择FD-SOI工艺?

很多人会说英特尔和台积电都选择的是FinFET工艺,根据VLSIresearch的调查,选择FD-SOI工艺有几个因素:分别是体偏压、功耗、设计简单、成本、易于RF模拟集成等。

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其中最大的两个因素就是体偏压和设计简单。

 

这里要解释下体偏压:

 

体偏压技术(body-bias)是FD-SOI技术所独有的特点,也是让该技术最受关注的特点。通过把硅做得极薄,让它可以全部耗尽,所以不会再漏电流。如果再将氧化硅层做的非常薄,同时放入偏置装置(bias),就可以调节控制这个晶体管。如果放入的是正偏压,可以实现性能快速增强;如果放入的是负偏压,实际上可以关掉该装置。让它实现很低的漏电流,大概是1pA/micron的水平。格罗方德也强调了FD-SOI可以在0.4V工作的优势,说这是几乎所有技术最小的工作电压点,有趣的是,如果电压低于0.4V以后,漏电流反而会增加了所以0.4V是个很不错的工作电压点。

 

从意法半导体的FD-SOI生态系统建设可以看出从产品、晶圆厂到EDA工具再到IP到设计服务和产品,FD-SOI有完整的产业链了。

 

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FD-SOI在模拟射频集成上的优势

在线播放免费人成动漫视频ST和其他厂家都强调了FD-SOI在模拟和射频上大的优势。ST认为FD-SOI更有助于实现更模拟器件更高带宽、更低功耗和更小面积。ST还用时间测试参数证明了FD-SOI在模拟设计上的优势

 

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格芯率先推出符合AEC-Q100标准的FD-SOI技术

为了加快FD-SOI的应用速度,格芯已经抢先一步,其22纳米FD-SOI(22FDX)技术平台已通过AEC-Q100(2级)认证,准备投入量产。作为业界符合汽车标准的先进FD-SOI制程技术,格芯的22FDX平台融合全面的技术和实现设计能力,旨在提高汽车IC的性能和效能,同时仍然符合严格的汽车安全和品质标准。

 

在线播放免费人成动漫视频随着汽车电子零件产品的迅速普及,关于效能和安全性的法规不断增多,半导体零件元件的品质和可靠性变得比以往更加关键。作为AEC-Q100认证的组成部分,零件必须在一段时间和广泛的温度范围内,成功完成可靠性压力测试,以获得2级认证。格芯符合汽车标准的22FDX技术正是汽车制造商和供应商实现高度集整合的汽车级IC快速集成所需的技术。而作为公司AutoPro平台的一部分,22FDX让客户能轻松将其汽车微控制器和ASSP转至更加先进的技术,同时利用明显超越竞争技术的尺寸、性能和效能优势。此外,这个经过优化的平台为汽车雷达应用提供高性能射频和毫米波功能,并支援在MCU中实施逻辑、Flash、非挥发性存储器(NVM),也支援高压零件,以满足车用IC的独特要求。

MOSFETs 和IGBT齐头并进,第三代半导体功率器件放量在即

在线播放免费人成动漫视频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统计和预测,17-21年功率器件市场规模CAGR 为5.39%,其中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是新能源汽车结构的主力军,它们的发展程度可以说决定了新能源汽车技术未来的走势。详细的介绍一下这哥俩的本事:

 

在线播放免费人成动漫视频首先普及一下半导体芯片知识:如今,贸易战当前的背景下,先进的半导体芯片得到了越来越多的重视。其实,半导体芯片在生活中的应用场景有很多,主要有:

逻辑半导体——应用于电脑和各种移动终端中的核心计算芯片;

存储半导体——我们手机的RAM、ROM等;

功率半导体——广泛应用于汽车、高铁、电力行业的各种功率芯片,其中最著名非IGBT莫属。

 

在线播放免费人成动漫视频说到IGBT就不得不提SIC,作为第三代半导体,它具有高击穿电场、高饱和电子速度、高热导率、搞电子密度、高迁移率等特点,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“新发动机”,而SIC给新能源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的性能不同,所以应用的场景也存在差异化。GaN的市场应用偏向高频小电力领域,集中在1000V以下;而SiC 适用于1200V 以上的高温大电力领域,两者的应用领域覆盖了新能源汽车、光伏、机车牵引、智能电网、节能家电、通信射频等大多数具有广阔发展前景的新兴应用市场。

新能源汽车的下一个风口,超全面解析(技术篇)

 


但与GaN 相比,SiC热导率是GaN的三倍以上,在高温应用领域更有优势;同时SiC单晶的制备技术相对更成熟,所以SiC 功率器件的种类远多于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功率器件可使电力电子系统的功率、温度、频率、抗辐射能力、效率和可靠性倍增,带来体积、重量以及成本的大幅减低。而且,以 SiC为材料的二极管、MOSFET、IGBT 等器件未来有望在汽车电子领域取代 Si。对比目前市场主流1200V 硅基IGBT 及SiC MOSFET,可以发现 SiC MOSFET 产品较Si基产品能够大幅减少Die Size,且表现性能更好。但是目前最大阻碍仍在于成本,根据Yole Développement测算,单片成本SiC比Si基产品高出 7-8 倍。

 

在线播放免费人成动漫视频因此随着SiC近期产业化进度加速,上游产业链开始扩大规模和锁定货源。整理全球SiC制造龙头Cree公告发现,近期碳化硅产业化进度开始加速,ST、英飞凌等中游厂商开始锁定上游。预计到2025年SiC功率半导体的市场规模有望达到30亿美元。在未来的10年内,SiC 器件将开始大范围地应用于工业及电动汽车领域。该市场增长的主要驱动因素是由于电源供应和逆变器应用越来越多地使用 SiC 器件。

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大红大紫的IGBT

IGBT这个词你可能从没听过,但它一直在我们身边默默服务。小到微波炉、变频空调、变频冰箱,大到新能源汽车、高铁,甚至航母的电磁弹射,IGBT都不可或缺。IGBT是能量变换和传输的核心零件。常见的强电只有50Hz交流电,变压器只能改变它的电压。有了IGBT这种开关,就可以通过电路设计和计算机控制,改变交流的频率,或者把交流变直流。

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IGBT可以按功能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,能承受几十到几百伏电压、几十到几百安电流的强电,每秒钟开关频率最高可达几万次。

 

然而IGBT的雏形是二极管,下面我们回到高中化学由浅及深,逐步介绍IGBT有趣的工作原理:

 

二极管由半导体材料比如硅Si制造出来,Si的价电子层有四个电子,会跟相邻的四个Si原子形成共价健。电流的传导需要自由电子,而共价键比较稳定,几乎没有多余电子。怎么办呢?聪明的科学家想出一个办法——掺杂。比如用价电子为5的磷P置换Si,自由电子产生了。用价电子为3的硼B置换另一块Si,空穴产生了。就这样,萝卜和坑都有了。

 

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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型联姻后生出来的产物就是二极管。在两种半导体的交界线,有趣的事情发生了。交界处的空穴和电子,在相互吸引下,“牵手”成功。

 

接下来,难度升级,普及一下MOSFET:

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MOSFET,又简称MOS管,金属(metal)、氧化物(oxide)、半导体(semiconductor)场效应晶体管,一般潜伏在电脑手机中。MOS管的设计也非常有趣。和二极管相同,MOS管的N部分、P部分交界处也会产生内电场,阻止电子扩散,此时没有电流。

 

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在线播放免费人成动漫视频下面我们接通电源,底部N部分电子向正极移动,空穴向相反方向移动,底部N与P交界处内电场持续增大,即电路断开。

 

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反向接通电源,也是如此,在上端的N型半导体与P型半导体交界处,内电场增大,电路依旧处于断开状态。那么,怎么才能让电路接通呢?

 

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聪明的工程师又来了,他在P部分上方加入金属板和绝缘板,又称为栅级。

 

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源极与漏极电压不变,栅源加正电压,神奇的现象再次发生了。栅极将P部分电子吸引到绝缘板附近,空穴被填充,此处电位逐渐变化到和两旁N部分相同,于是一条通道打开了。

 

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之后电子在源极、漏极电压驱动下运动,产生电流,电路接通。

 

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降低栅极电压,通道关闭,电路也就闭合了。栅极的存在,使得MOS管只需要很小的驱动功率,而且开关速度快。

 

在线播放免费人成动漫视频其实IGBT的结构和MOS管非常接近,只是背面增加N+和P+层。

 

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在线播放免费人成动漫视频别小看这个“+”,“+”意味着更高的自由电子或者空穴密度。从而IGBT在保留MOS管优点的同时,增加了载流能力和抗压能力。在新能源汽车上,IGBT负责交流直流转换、高低压转换,决定了整车的功率释放速度和能源效率。IGBT能让电机在瞬间爆发巨大能量,也能瞬间减少输出,还能根据用电需求对电机变频调速,降低能耗,增加续航,被称作是电机驱动系统最核心的元件,当之无愧。

 

IGBT的应用领域也是包罗万象,按电压分布的应用领域:

 

1.新能源汽车

 

IGBT模块在电动汽车中发挥着至关重要的作用,是电动汽车及充电桩等设备的核心技术部件。IGBT模块占电动汽车成本将近10%,占充电桩成本约20%。

 

在线播放免费人成动漫视频IGBT主要应用于电动汽车领域中以下几个方面:

 

A)电动控制系统 大功率直流/交流(DC/AC)逆变后驱动汽车电机;

B)车载空调控制系统 小功率直流/交流(DC/AC)逆变,使用电流较小的IGBT和FRD;

C)充电桩 智能充电桩中IGBT模块被作为开关元件使用;

 

2.智能电网

 

IGBT广泛应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需要使用IGBT模块。

在线播放免费人成动漫视频从输电端来看,特高压直流输电中FACTS柔性输电技术需要大量使用IGBT等功率器件。

在线播放免费人成动漫视频从变电端来看,IGBT是电力电子变压器(PET)的关键器件。

在线播放免费人成动漫视频从用电端来看,家用白电、 微波炉、 LED照明驱动等都对IGBT有大量的需求。

 

3.轨道交通

 

IGBT器件已成为轨道交通车辆牵引变流器和各种辅助变流器的主流电力电子器件。交流传动技术是现代轨道交通的核心技术之一,在交流传动系统中牵引变流器是关键部件,而IGBT又是牵引变流器最核心的器件之一。

 

发展状况

 

在线播放免费人成动漫视频如今,IGBT已经历了6代技术及工艺改进。而经过这么多年的发展,从结构上看,IGBT主要有三个发展方向,分别是IGBT纵向结构、IGBT栅极结构和IGBT硅片加工工艺。而在这三个方面的改良过程中,厂商聚焦在降低损耗和降低生产成本两个方面。随着IGBT芯片技术的不断发展,芯片的最高工作结温与功率密度不断提高,IGBT模块技术也要与之相适应。未来IGBT模块技术将围绕芯片背面焊接固定与正面电极互连两方面改进。模块技术发展趋势:无焊接、无引线键合及无衬板/基板封装技术;内部集成温度传感器、电流传感器及驱动电路等功能元件,不断提高IGBT模块的功率密度、集成度及智能度。

 

国外垄断趋势明显

 

在线播放免费人成动漫视频从市场竞争格局来看,美国功率器件处于世界领先地位,拥有一批具有全球影响力的厂商,例如TI、Fairchild、NS、Linear、IR、Maxim、ADI、ONSemiconductor、AOS和Vishay等厂商。欧洲拥有Infineon、ST和NXP三家全球半导体大厂,产品线齐全,无论是功率 IC 还是功率分离器件都具有领先实力。

 

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,虽然厂商数量众多,但很多厂商的核心业务并非功率芯片,

 

总体来看,台湾功率厂商的发展较快,技术方面和国际领先厂商的差距进一步缩小,产品主要应用于计算机主板、显卡、数码产品和 LCD 等设备而中国大陆功率半导体市场占世界市场的50%以上,但在中高端MOSFET及IGBT主流器件市场上,90%主要依赖进口,基本被国外欧美、日本企业垄断。2015年国际IGBT市场规模约为48亿美元,预计到2020年市场规模可以达到80亿美元,年复合增长率约10%。

 

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2014年国内IGBT销售额是88.7亿元,约占全球市场的1∕3。预计2020年中国IGBT市场规模将超200亿元,年复合增长率约为15%。

SiC VS IGBT,鹿死谁手

 

在线播放免费人成动漫视频车用功率模块(当前的主流是IGBT)决定了车用电驱动系统的关键性能,同时占电机逆变器成本的40%以上,是核心部件。目前,IGBT约占电机驱动器成本的三分之一,而电机驱动器约占整车成本的15~20%,也就是说,IGBT占整车成本的5~7%。2018年,中国新能源汽车销量按125万辆计算的话,平均每辆车大约消耗450美元的IGBT,所有车共需消耗约5.6亿美元的IGBT。虽说IGBT在新能源领域红得发紫,但是SiC也不甘示弱,未来如何发展也不好定论。

 

SiC的优点在于:

 

1、SiC器件的工作结温在200℃以上,工作频率在100kHz以上,耐压可达20kV,这些性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,重量可减小到40-60%;

3、SiC器件还可以提升系统的效率,进一步提高性价比和可靠性。在电动车的不同工况下,SiC器件与IGBT的性能对比情况显示了在不同工况下,SiC的功耗降低了60-80%,效率提升了1-3%,SiC的优势可见一斑。

 

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在线播放免费人成动漫视频整体来看,SiC想要取代IGBT,还需要解决良率、成本及可靠性等多方面难题。换句话说,如果SiC的性价比比不上IGBT,那么想要取而代之,可能性很小。

 

在线播放免费人成动漫视频此外,从产业链角度看,碳化硅包括单晶衬底、外延片、器件设计、器件制造等环节,但目前全球碳化硅市场基本被在国外企业所垄断。在全球市场中,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,全球大部分市场份额被Infineon、Cree、罗姆、意法半导体等少数企业瓜分。

 

在线播放免费人成动漫视频整体而言,由于制造成本与产能等因素,初期SiC功率元件在新能源汽车市场的渗透率不高。但随着技术的不断提升,预估2023年前后市场会有显著成长,对IDM(国际整合元件制造商)大厂而言,持续拓展产品线多元化应用、降低制造成本并提升产能,将是拓展市场的重点。

 

在线播放免费人成动漫视频IGBT与SiC无论是在功能上和应用上都有着出色的表现,未来有可能是齐头并进还是取代其一,让我们拭目以待吧。

销售热线:刘经理 173 5418 1516 安徽银菲贸易有限公司
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