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800V“絕配”碳化硅
發(fā)布時間： 2022-01-20
來源：
10月份，美國《華爾街日報》報道，全球汽車行業(yè)正把數(shù)以十億美元計的資金投向以碳化硅（SiC）材料制成的芯片。
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比如通用汽車公司，其副總裁希爾潘·阿明就表示：“電動汽車用戶正追求更長的續(xù)航里程，我們把碳化硅視為電力電子設(shè)計中的一種重要材料?！?/span>
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在說這話之前，通用汽車已經(jīng)與總部位于達勒姆（北卡羅來納州）的沃爾夫斯皮德公司達成了一項協(xié)議，將使用后者生產(chǎn)的碳化硅器件。
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而相輔相成的是，碳化硅的崛起，跟汽車行業(yè)正在推進的800V高壓平臺系統(tǒng)算是“絕配”。在800V高壓平臺趨近的趨勢下，行業(yè)預(yù)計，未來幾年SiC功率元器件將隨著800V平臺的大規(guī)模上車進入快速爆發(fā)階段。
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為什么這么說？因為，在800V甚至更高水平的平臺上，原本的硅基IGBT芯片達到了材料極限，碳化硅則具備耐高壓、耐高溫、高頻等優(yōu)勢，無疑是IGBT最佳的替代方案。
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作為今年熱炒的第三代功率半導(dǎo)體材料，碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）應(yīng)用在更高階的高壓功率元器件以及高頻通訊元器件領(lǐng)域，代表5G時代的主要材料。特別是碳化硅，可謂集“萬千寵愛于一身”。
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當然，碳化硅面臨的一大挑戰(zhàn)是它高企的價格。而如何確保以碳化硅芯片實現(xiàn)的成本節(jié)約效益，蓋過碳化硅芯片較高生產(chǎn)成本這一不利因素，就成為當下最重要的任務(wù)。
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俗話說，榜樣的力量是無窮的，就像特斯拉所做的那樣——特斯拉數(shù)年來在功率控制芯片中使用碳化硅，效果是能量損失減少，造就更強大的發(fā)動機，提升續(xù)航里程，從TCO（總體擁有成本）的角度來講，單車成本反而下降了不少。
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實際上，當下SiC+800V大熱，說不清是碳化硅成就了800V，還是800V成就了碳化硅，我們能確定的是，接下來，碳化硅替代IGBT正在成為主流。
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碳化硅的優(yōu)勢
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從價格方面來說，目前國際上SiC價格是對應(yīng)硅基產(chǎn)品的5~6倍，并以每年10%的速度下降。據(jù)預(yù)測，隨著未來2~3年市場供應(yīng)加大，預(yù)計價格達到對應(yīng)硅基產(chǎn)品的2~3倍時，由系統(tǒng)成本減少和性能提升帶來的優(yōu)勢，將推動SiC逐步替代硅基IGBT等產(chǎn)品。
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按照《華爾街日報》的報道，“研究者估計，根據(jù)電動車種類的不同，碳化硅相關(guān)技術(shù)可以幫助一輛車最終節(jié)約出750美元的電池成本?！币灿腥藴y算，最終使用SiC合計大約會產(chǎn)生約2000元左右的成本降低。不過，碳化硅材料的成本要接近硅基材料，估計還要等幾年。
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而碳化硅價格高的原因很簡單，因為難造。碳化硅為什么那么難造？可以這么說，鉆石有多硬，它就有多硬。所以，碳化硅的制造成本在短期內(nèi)依然高企。
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但是，碳化硅的優(yōu)勢卻是非常明確的。比如，體積縮小是其一，豐田的碳化硅元器件體積就要比硅基的縮小80%。此外，據(jù)相關(guān)分析數(shù)據(jù)，續(xù)航方面，與使用硅基芯片的電動汽車相比，搭載SiC芯片的電動汽車行駛距離平均延長6%。
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舉個國內(nèi)的例子，像比亞迪漢EV的SiC模塊同功率情況下體積較硅IGBT縮小一半以上，功率密度提升一倍。而且，根據(jù)比亞迪公司計劃，到2023年比亞迪旗下所有電動車會用SiC功率半導(dǎo)體全面替代IGBT。碳化硅的趨勢真是勢不可擋啊。
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不過，若論及碳化硅的大規(guī)模應(yīng)用，則始于特斯拉。
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2018年，特斯拉在Model 3中首次將IGBT模塊換成了碳化硅模塊。使用下來，在相同功率等級下，碳化硅模塊的封裝尺寸明顯小于硅模塊，并且開關(guān)損耗降低了75%。而且，換算下來，采用SiC模塊替代IGBT模塊，其系統(tǒng)效率可以提高5%左右。
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當然，從成本來講，這樣并不劃算。因為逆變器的功率器件由IGBT替換成碳化硅之后，采購成本上升將近1500元。但是，因為整車效率的提升，導(dǎo)致電池裝機量的下降，從電池端把成本又省回來了。
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從發(fā)展歷史來說，全球首款碳化硅功率半導(dǎo)體SiC MOSFET的推出，是在2011年。而在這之前，美國科銳（Cree）公司經(jīng)過了將近二十年的研發(fā)，可謂“難產(chǎn)”。十年之后，SiC才終于迎來“爆發(fā)元年”。
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而Cree首席執(zhí)行官Gregg Lowe還確認，公司有望在2022年初建成世界上最大的碳化硅工廠，使其能夠充分利用未來幾十年的增長機遇。
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8英寸時代到來前，供需失衡
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從生產(chǎn)工藝來講，碳化硅目前的主要生產(chǎn)尺寸是6英寸，也就是150mm。不過行業(yè)進步還是很快的，8月11日，意法半導(dǎo)體（ST）宣布，其瑞典Norrk?ping工廠制造出首批8英寸碳化硅晶圓。
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據(jù)悉，ST首批8英寸SiC晶圓品質(zhì)十分優(yōu)良，芯片良品率和晶體位元錯誤之缺陷非常低。低缺陷率歸功于ST在SiC硅錠生長技術(shù)深厚積累的研發(fā)技術(shù)。此外，ST正與供應(yīng)鏈上下游技術(shù)廠商合作研發(fā)專屬的制造設(shè)備和生產(chǎn)制程。
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ST汽車和離散元件產(chǎn)品部總裁Marco Monti表示，汽車和工業(yè)市場正在加速推動系統(tǒng)和產(chǎn)品電氣化的進程，升級到8吋SiC晶圓將為ST的汽車和工業(yè)客戶帶來巨大優(yōu)勢。
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而從6吋到8吋，這也代表著提升功率電子芯片的輕量化和能效方面又邁進了一步。只是，雖說現(xiàn)在8英寸（200mm）的產(chǎn)線已經(jīng)有量產(chǎn)，但是要全面進入8英寸時代，還需要點時間。
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然而一個現(xiàn)實情況是，目前碳化硅功率元器件市場需求的突然爆發(fā)，進一步造成了碳化硅供應(yīng)鏈的全球性短缺。
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以目前的狀況，一片碳化硅晶圓也就裝備兩輛電動汽車。也就是說，以目前全球碳化硅晶圓60萬片的年產(chǎn)能，最多也就能夠滿足120萬輛電動汽車的需求。這還沒算充電樁等應(yīng)用。而根據(jù)TrendForce集邦咨詢研究顯示,預(yù)計2025年全球?qū)?英寸SiC晶圓需求可達169萬片。
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再看特斯拉。2020年，特斯拉全球交付了將近50萬輛電動汽車；今年上半年的交付量已經(jīng)達到了38.6萬輛，時近年底，預(yù)計全年的交付量至少是75萬輛。也就是說，目前全球碳化硅晶圓的產(chǎn)能，滿足了特斯拉之后，剩下不了多少。
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那么，全球碳化硅晶圓方面，主要都有哪些玩家呢？按照2020上半年出貨量計算，科銳CREE占據(jù)了全球45%的市場份額，日本羅姆的子公司SiCrystal占據(jù)20%，II-VI占13%；中國企業(yè)的市場份額還比較低，其中天科合達占到5.3%，山東天岳則為2.6%。
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從碳化硅的產(chǎn)業(yè)鏈整體來看，主要的SiC襯底、EPI外延片、器件、模組等環(huán)節(jié)，目前全球碳化硅市場基本被國外壟斷。根據(jù)Yole數(shù)據(jù)顯示，Cree、英飛凌、羅姆約占據(jù)了90％的SiC市場份額。
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這里普及一下，SiC器件的制造成本中，有兩大工序是其重要組成部分。其中，SiC襯底成本約占總成本的47%，SiC外延的成本占比23%。而SiC襯底制備受限于SiC晶體生長速度慢、過程難以調(diào)控、生長多型多、切割難度大等多種問題，全球產(chǎn)能一直處于較低水平。
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襯底方面，國際主流已經(jīng)從4英寸向6英寸過渡，而作為襯底主要供應(yīng)商的科銳Cree已經(jīng)開發(fā)出8英寸襯底。國內(nèi)方面，襯底主要供應(yīng)商有天科合達、山東天岳等能夠供應(yīng)3~6英寸的單晶襯底。
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外延片方面，國內(nèi)廈門瀚天天成、東莞天域光已能提供4英寸/6英寸SiC外延片。目前，6英寸碳化硅外延片可以實現(xiàn)本土供應(yīng)。當然，從整體情況來說，供需失衡的情況還會是未來一段時間內(nèi)的主流。
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800V“元年”
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實際上，碳化硅+800V正在聯(lián)袂而來。我們也可以說，如果2021年是碳化硅“元年”，那么，2022年將成為800V的“元年”。
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這次的廣州車展上，我們看到了800V正在成為趨勢。像比亞迪e平臺3.0、東風(fēng)嵐圖、吉利SEA浩瀚架構(gòu)、現(xiàn)代E-GMP、奔馳EVA、通用奧特能平臺等都選擇800V高壓平臺，這不是偶然。?
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從量產(chǎn)時間來看，各大車企基于800V系統(tǒng)的新車將于明后年陸續(xù)上市，雖然真正800V的產(chǎn)品大年預(yù)計要到2024年左右。
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具體而言，小鵬汽車在廣州車展上首次亮相的全新SUV小鵬G9，就首次采用800V高壓SiC平臺。據(jù)悉，小鵬汽車還將鋪設(shè)中國首批量產(chǎn)的480kW高壓超充樁，以實現(xiàn)充電5分鐘可跑200公里的目標。
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同樣，長城的沙龍汽車首款車型機甲龍，也支持800V超級快充，峰值電流高達600A，充電10分鐘，即可實現(xiàn)CLTC續(xù)航401公里。還有零跑，其800V平臺將在2024年第四季度量產(chǎn)。廣汽也發(fā)布了萬城萬充為其開發(fā)的480kW高壓充電樁。
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而根據(jù)相關(guān)預(yù)測，2023~2025年國內(nèi)800V產(chǎn)業(yè)復(fù)合增速有望超過70%，而2025~2030年進入穩(wěn)步增長階段，復(fù)合增速約為20%。
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那么，為什么800V架構(gòu)會成為主流呢？還是因為，800V架構(gòu)下解決了兩大需求痛點，一是讓充電性能大幅提升，二是提高了整車運行效率。
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在800V平臺下，可以使用較細的充電導(dǎo)線。我們知道，相同充電功率下，電壓高則電流就可以低，電流低導(dǎo)線就不用那么粗，導(dǎo)線的電阻熱能耗也就降低。而如果還使用原來400V所用的充電導(dǎo)線尺寸，則可以提升充電功率。
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當然，在800V高壓充電下，電池本身的串并聯(lián)組態(tài)也必須要重新調(diào)整，也就是電池包的電壓也要相對提升到800V，否則會因為高充電電流而燒毀。此外，像電驅(qū)動、電力電子裝置、充電系統(tǒng)等也都需要采用800V的系統(tǒng)。
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而整車運行效率更高是指，電流不變時，電池電壓越高電機的功率越大，電機驅(qū)動的效率也越高。所以，800V高壓平臺容易實現(xiàn)高功率和大扭矩，以及更好的加速性能。
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不過，雖然SiC+800V技術(shù)的發(fā)展，為新能源汽車及未來出行描繪出了一個美好的未來，但在落地層面，還是具備一定的難度。對于很多車企來說，在沒有基礎(chǔ)設(shè)施配套的前提下，車展上推出一款800V產(chǎn)品，更多是概念的呼喚，隨后仍將面對實際問題。
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所以，雖然說“技術(shù)點亮生活”，但800V平臺除了研發(fā)落地，也意味著電動車諸多零部件需要重新開發(fā)設(shè)計，以及高壓充電網(wǎng)絡(luò)從無到有的布局建設(shè)，距離產(chǎn)品的真正普及還有很長一段距離要走。理想很豐滿，但是現(xiàn)實方面，還是需要耐心等待的。