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800V“绝配”碳化硅

2021-12-11 10:16:11来源:盖世汽车

10月份,美国《华尔街日报》报道,全球汽车行业正把数以十亿美元计的资金投向以碳化硅(SiC)材料制成的芯片。

电动汽车,特斯拉,碳化硅

比如通用汽车公司,其副总裁希尔潘·阿明就表示:“电动汽车用户正追求更长的续航里程,我们把碳化硅视为电力电子设计中的一种重要材料。”

在说这话之前,通用汽车已经与总部位于达勒姆(北卡罗来纳州)的沃尔夫斯皮德公司达成了一项协议,将使用后者生产的碳化硅器件。

而相辅相成的是,碳化硅的崛起,跟汽车行业正在推进的800V高压平台系统算是“绝配”。在800V高压平台趋近的趋势下,行业预计,未来几年SiC功率元器件将随着800V平台的大规模上车进入快速爆发阶段。

为什么这么说?因为,在800V甚至更高水平的平台上,原本的硅基IGBT芯片达到了材料极限,碳化硅则具备耐高压、耐高温、高频等优势,无疑是IGBT最佳的替代方案。

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作为今年热炒的第三代功率半导体材料,碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)应用在更高阶的高压功率元器件以及高频通讯元器件领域,代表5G时代的主要材料。特别是碳化硅,可谓集“万千宠爱于一身”。

当然,碳化硅面临的一大挑战是它高企的价格。而如何确保以碳化硅芯片实现的成本节约效益,盖过碳化硅芯片较高生产成本这一不利因素,就成为当下最重要的任务。

俗话说,榜样的力量是无穷的,就像特斯拉所做的那样——特斯拉数年来在功率控制芯片中使用碳化硅,效果是能量损失减少,造就更强大的发动机,提升续航里程,从TCO(总体拥有成本)的角度来讲,单车成本反而下降了不少。

实际上,当下SiC+800V大热,说不清是碳化硅成就了800V,还是800V成就了碳化硅,我们能确定的是,接下来,碳化硅替代IGBT正在成为主流。

碳化硅的优势

从价格方面来说,目前国际上SiC价格是对应硅基产品的5~6倍,并以每年10%的速度下降。据预测,随着未来2~3年市场供应加大,预计价格达到对应硅基产品的2~3倍时,由系统成本减少和性能提升带来的优势,将推动SiC逐步替代硅基IGBT等产品。

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按照《华尔街日报》的报道,“研究者估计,根据电动车种类的不同,碳化硅相关技术可以帮助一辆车最终节约出750美元的电池成本。”也有人测算,最终使用SiC合计大约会产生约2000元左右的成本降低。不过,碳化硅材料的成本要接近硅基材料,估计还要等几年。

而碳化硅价格高的原因很简单,因为难造。碳化硅为什么那么难造?可以这么说,钻石有多硬,它就有多硬。所以,碳化硅的制造成本在短期內依然高企。

但是,碳化硅的优势却是非常明确的。比如,体积缩小是其一,丰田的碳化硅元器件体积就要比硅基的缩小80%。此外,据相关分析数据,续航方面,与使用硅基芯片的电动汽车相比,搭载SiC芯片的电动汽车行驶距离平均延长6%。

举个国内的例子,想比亚迪汉EV的SiC模块同功率情况下体积较硅IGBT缩小一半以上,功率密度提升一倍。而且,根据比亚迪公司计划,到2023年比亚迪旗下所有电动车会用SiC功率半导体全面替代IGBT。碳化硅的趋势真是势不可挡啊。

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不过,若论及碳化硅的大规模应用,则始于特斯拉。

2018年,特斯拉在Model 3中首次将IGBT模块换成了碳化硅模块。使用下来,在相同功率等级下,碳化硅模块的封装尺寸明显小于硅模块,并且开关损耗降低了75%。而且,换算下来,采用SiC模块替代IGBT模块,其系统效率可以提高5%左右。

当然,从成本来讲,这样并不划算。因为逆变器的功率器件由IGBT替换成碳化硅之后,采购成本上升将近1500元。但是,因为整车效率的提升,导致电池装机量的下降,从电池端把成本又省回来了。

从发展历史来说,全球首款碳化硅功率半导体SiC MOSFET的推出,是在2011年。而在这之前,美国科锐(Cree)公司经过了将近二十年的研发,可谓“难产”。十年之后,SiC才终于迎来“爆发元年”。

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而Cree首席执行官Gregg Lowe还确认,公司有望在2022年初建成世界上最大的碳化硅工厂,使其能够充分利用未来几十年的增长机遇。

8英寸时代到来前,供需失衡

从生产工艺来讲,碳化硅目前的主要生产尺寸是6英寸,也就是150mm。不过行业进步还是很快的,8月11日,意法半导体(ST)宣布,其瑞典Norrköping工厂制造出首批8英寸碳化硅晶圆。

据悉,ST首批8英寸SiC晶圆品质十分优良,芯片良品率和晶体位元错误之缺陷非常低。低缺陷率归功于ST在SiC硅锭生长技术深厚积累的研发技术。此外,ST正与供应链上下游技术厂商合作研发专属的制造设备和生产制程。

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ST汽车和离散元件产品部总裁Marco Monti表示,汽车和工业市场正在加速推动系统和产品电气化的进程,升级到8吋SiC晶圆将为ST的汽车和工业客户带来巨大优势。

而从6吋到8吋,这也代表着提升功率电子芯片的轻量化和能效方面又迈进了一步。只是,虽说现在8英寸(200mm)的产线已经有量产,但是要全面进入8英寸时代,还需要点时间。

然而一个现实情况是,目前碳化硅功率元器件市场需求的突然爆发,进一步造成了碳化硅供应链的全球性短缺。

以目前的状况,一片碳化硅晶圆也就装备两辆电动汽车。也就是说,以目前全球碳化硅晶圆60万片的年产能,最多也就能够满足120万辆电动汽车的需求。这还没算充电桩等应用。而根据TrendForce集邦咨询研究显示,预计2025年全球对6英寸SiC晶圆需求可达169万片。

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再看特斯拉。2020年,特斯拉全球交付了将近50万辆电动汽车;今年上半年的交付量已经达到了38.6万辆,时近年底,预计全年的交付量至少是75万辆。也就是说,目前全球碳化硅晶圆的产能,满足了特斯拉之后,剩下不了多少。

那么,全球碳化硅晶圆方面,主要都有哪些玩家呢?按照2020上半年出货量计算,科锐CREE占据了全球45%的市场份额,日本罗姆的子公司SiCrystal占据20%,II-VI占13%;中国企业的市场份额还比较低,其中天科合达占到5.3%,山东天岳则为2.6%。

从碳化硅的产业链整体来看,主要的SiC衬底、EPI外延片、器件、模组等环节,目前全球碳化硅市场基本被国外垄断。根据Yole数据显示,Cree、英飞凌、罗姆约占据了90%的SiC市场份额。

这里普及一下,SiC器件的制造成本中,有两大工序是其重要组成部分。其中,SiC衬底成本约占总成本的47%,SiC外延的成本占比23%。而SiC衬底制备受限于SiC晶体生长速度慢、过程难以调控、生长多型多、切割难度大等多种问题,全球产能一直处于较低水平。

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衬底方面,国际主流已经从4英寸向6英寸过渡,而作为衬底主要供应商的科锐Cree已经开发出8英寸衬底。国内方面,衬底主要供应商有天科合达、山东天岳、同光晶体等能够供应3~6英寸的单晶衬底。技术水平上, 国内SiC以4英寸为主,6英寸衬底还有待突破。

外延片方面,国内厦门瀚天天成、东莞天域、世纪金光已能提供4英寸/6英寸SiC外延片。目前,6英寸碳化硅外延片可以实现本土供应。当然,从整体情况来说,供需失衡的情况还会是未来一段时间內的主流。

800V“元年”

实际上,碳化硅+800V正在联袂而来。我们也可以说,如果2021年是碳化硅“元年”,那么,2022年将成为800V的“元年”。

这次的广州车展上,我们看到了800V正在成为趋势。像比亚迪e平台3.0、东风岚图、吉利SEA浩瀚架构、现代E-GMP、奔驰EVA、通用奥特能平台等都选择800V高压平台,这不是偶然。

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从量产时间来看,各大车企基于800V系统的新车将于明后年陆续上市,虽然真正800V的产品大年预计要到2024年左右。

具体而言,小鹏汽车在广州车展上首次亮相的全新SUV小鹏G9,就首次采用800V高压SiC平台。据悉,小鹏汽车还将铺设中国首批量产的480kW高压超充桩,以实现充电5分钟可跑200公里的目标。

同样,长城的沙龙汽车首款车型机甲龙,也支持800V超级快充,峰值电流高达600A,充电10分钟,即可实现CLTC续航401公里。还有零跑,其800V平台将在2024年第四季度量产。广汽也发布了万城万充为其开发的480kW高压充电桩。

而根据相关预测,2023~2025年国内800V产业复合增速有望超过70%,而2025~2030年进入稳步增长阶段,复合增速约为20%。

那么,为什么800V架构会成为主流呢?还是因为,800V架构下解决了两大需求痛点,一是让充电性能大幅提升,二是提高了整车运行效率。

在800V平台下,可以使用较细的充电导线。我们知道,相同充电功率下,电压高则电流就可以低,电流低导线就不用那么粗,导线的电阻热能耗也就降低。而如果还使用原来400V所用的充电导线尺寸,则可以提升充电功率。

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当然,在800V高压充电下,电池本身的串并联组态也必须要重新调整,也就是电池包的电压也要相对提升到800V,否则会因为高充电电流而烧毁。此外,像电驱动、电力电子装置、充电系统等也都需要采用800V的系统。

而整车运行效率更高是指,电流不变时,电池电压越高电机的功率越大,电机驱动的效率也越高。所以,800V高压平台容易实现高功率和大扭矩,以及更好的加速性能。

不过,虽然SiC+800V技术的发展,为新能源汽车及未来出行描绘出了一个美好的未来,但在落地层面,还是具备一定的难度。对于很多车企来说,在没有基础设施配套的前提下,车展上推出一款800V产品,更多是概念的呼唤,随后仍将面对实际问题。

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所以,虽然说“技术点亮生活”,但800V平台除了研发落地,也意味着电动车诸多零部件需要重新开发设计,以及高压充电网络从无到有的布局建设,距离产品的真正普及还有很长一段距离要走。理想很丰满,但是现实方面,还是需要耐心等待的。