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受制于硅基IGBT的材料極限，目前電動(dòng)汽車的高壓系統(tǒng)普遍采用的是400V電壓平臺(tái)。如果想要將電壓平臺(tái)從400V提升到800V甚至更高的水平，進(jìn)而提高充電功率、縮短充電時(shí)間，就必須要尋找硅基IGBT的替代方案。
SiC功率器件正是在這種背景下被推上風(fēng)口的。相較于傳統(tǒng)的硅基材料，SiC由于具備耐高壓、耐高溫、高頻等優(yōu)勢，已經(jīng)被普遍認(rèn)為是800V平臺(tái)量產(chǎn)應(yīng)用的關(guān)鍵支撐技術(shù)，目前很多車企推出的800V高壓平臺(tái)都是基于SiC研發(fā)。在此趨勢下，預(yù)計(jì)未來幾年SiC器件將隨著800V平臺(tái)的大規(guī)模上車進(jìn)入快速爆發(fā)階段。
800V平臺(tái)布局熱下，SiC借勢而起
在新能源汽車的普及過程中，續(xù)航里程不足和補(bǔ)能速度慢一直是制約行業(yè)發(fā)展的兩大痛點(diǎn)。為此，業(yè)界提出了一系列的解決方案，包括推廣換電模式，研發(fā)更長續(xù)航里程車型，發(fā)展快充技術(shù)等。
其中換電模式雖然在補(bǔ)能效率上獲得了業(yè)界的肯定，但因初期投資大，現(xiàn)階段行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，目前還面臨著商業(yè)推廣難度大、成本高等問題。而長續(xù)航里程車型，在單次續(xù)航提升的同時(shí)，如果充電效率沒有得到革命性的提升，充電等待時(shí)間其實(shí)也是水漲船高，并不能從根本上緩解續(xù)航焦慮。比較之下，快充技術(shù)由于可以通過優(yōu)化單次補(bǔ)能效率，真正打造媲美燃油車的補(bǔ)能體驗(yàn)，正獲得越來越多車企的青睞。
現(xiàn)階段快充技術(shù)主要有兩種：低壓大電流快充和800V甚至更高水平的高壓快充技術(shù)。其中大電流快充相較于高電壓方案，會(huì)因?yàn)槎虝r(shí)間內(nèi)電流大幅攀升而導(dǎo)致溫度急劇升高，這就對電控、線束和散熱的要求較高，目前只有Tesla、極氪等少數(shù)品牌在開展相關(guān)的探索或應(yīng)用。絕大多數(shù)的主流車企均選擇了高壓快充方案，特別是800V高壓快充，已經(jīng)被很多整車廠提上了日程。
比如小鵬汽車剛剛在廣州車展上亮相的全新SUV車型小鵬G9，就首次采用了800V高壓SiC平臺(tái)。據(jù)悉，為充分發(fā)揮800V平臺(tái)的超充技術(shù)優(yōu)勢，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(shí)現(xiàn)充電5分鐘最高可補(bǔ)充200公里續(xù)航。該車計(jì)劃于明年三季度開啟交付。
同樣在此次車展上亮相的長城沙龍汽車首款車型機(jī)甲龍，也表示支持800V超級(jí)快充，峰值電流高達(dá)600A，充電10分鐘，即可實(shí)現(xiàn)CLTC續(xù)航401公里。還有零跑，也在布局800V 超高壓充電，其800V平臺(tái)將在 2024 年第四季度量產(chǎn)，在朱江明看來，這是800V 充電出現(xiàn)的最佳時(shí)機(jī)，目前相關(guān)的配套都還不太成熟。
另外，比亞迪e平臺(tái)3.0、東風(fēng)嵐圖、吉利SEA浩瀚架構(gòu)、現(xiàn)代E-GMP、奔馳EVA、通用奧特能等也都選擇了800V高電壓平臺(tái)，并進(jìn)行了相應(yīng)的布局，車型應(yīng)用范圍開始從高端車型往下探。就量產(chǎn)時(shí)間來看，各大車企基于該技術(shù)方案的新車將于明后年陸續(xù)上市，這意味著明年有望成為我國800V高壓平臺(tái)發(fā)展元年，而真正要到800V產(chǎn)品大年，預(yù)計(jì)要到2024年左右。
根據(jù)華創(chuàng)證券預(yù)測，2021-2023年，國內(nèi)800V產(chǎn)業(yè)有望實(shí)現(xiàn)從0到1的突破，在這之后將進(jìn)入一個(gè)爆發(fā)期，2023-2025年復(fù)合增速有望超過70%，然后在2025-2030年進(jìn)入穩(wěn)步增長階段，復(fù)合增速約為20%。
在800V平臺(tái)走熱背后，SiC功率器件的規(guī)?；瘧?yīng)用起到了重要支撐作用。在傳統(tǒng)的車規(guī)級(jí)功率半導(dǎo)體中，以硅基IGBT占據(jù)主導(dǎo)，但由于硅材料物理性能的限制，如果將其應(yīng)用于800V平臺(tái)，在高開關(guān)頻率及高壓下?lián)p耗會(huì)大幅提升，無法很好地支撐高壓平臺(tái)演進(jìn)。
而SiC器件由于把碳原子加入到用于制造半導(dǎo)體的高純硅晶體結(jié)構(gòu)中，很好地突破了傳統(tǒng)硅基材料的極限，實(shí)現(xiàn)更大的禁帶寬度、更高的臨界擊穿場強(qiáng)和熱導(dǎo)率等優(yōu)異的材料特性，可充分滿足整車架構(gòu)朝800V高壓方向邁進(jìn)時(shí)的耐高壓、耐高溫、高頻等需求，提升整個(gè)系統(tǒng)的效率。比如在主逆變器上，據(jù)悉采用SiC模塊替代IGBT模塊，其系統(tǒng)效率可以提高5%左右。
不僅如此，SiC 還具有體積小、功率密度大等優(yōu)勢，可以助力電動(dòng)汽車減小模塊體積重量、提升續(xù)航能力。據(jù)相關(guān)分析數(shù)據(jù)顯示，在車載充電系統(tǒng)中采用SiC器件，與硅器件相比，其體積可減少60%。續(xù)航方面，與使用純硅芯片的電動(dòng)汽車相比，搭載SiC芯片的電動(dòng)汽車行駛距離平均延長了6%。
但這也帶來了材料成本的增加。據(jù)了解，目前SiC的價(jià)格大約是Si的3-5倍，在相同性能的產(chǎn)品條件下，用SiC替代硅基IGBT成本大約會(huì)增加3000元。但如果就整個(gè)系統(tǒng)的綜合成本來看，最終使用SiC合計(jì)大約會(huì)產(chǎn)生約2000元左右的成本降低。
正因?yàn)槿绱耍诋?dāng)前電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航和補(bǔ)能焦慮遲遲未得到解決的情況下，SiC +800V組合被視為了一個(gè)主流方向。而伴隨著800V平臺(tái)的推進(jìn)，目前很多整車廠也在同步布局SiC賽道。比如吉利，就在自研SiC功率芯片，并計(jì)劃于2023年正式量產(chǎn)。與此同時(shí)，吉利還在今年8月與羅姆達(dá)成了合作，利用后者的SiC方案開發(fā)高效電控系統(tǒng)和車載充電系統(tǒng)。
零跑的碳化硅控制器也計(jì)劃于 2023 年年底量產(chǎn)。據(jù)朱江明介紹，屆時(shí)這套碳化硅控制器可以將電驅(qū)功率上限再提高 300kW，并且提高 4% 以上的續(xù)航。還有蔚來汽車，首臺(tái)碳化硅電驅(qū)系統(tǒng)C樣件也已經(jīng)于今年6月在南京先進(jìn)制造技術(shù)中心正式下線，將在2022年隨著蔚來ET7的交付正式量產(chǎn)。
在此背景下， 2023年汽車行業(yè)有望迎來碳化硅電機(jī)控制器的量產(chǎn)爆發(fā)。如果考慮車載OBC、充電樁等領(lǐng)域的SiC使用滲透提升，需求量將更大。據(jù)TrendForce集邦咨詢研究顯示,隨著電動(dòng)車滲透率不斷升高，以及整車架構(gòu)朝800V高壓方向邁進(jìn)，預(yù)估2025年全球電動(dòng)車市場對6英寸SiC晶圓需求可達(dá)169萬片。
多方勢力暗戰(zhàn)車用SiC，本土企業(yè)加速突圍
伴隨著SiC在新能源汽車領(lǐng)域的“走熱”，傳統(tǒng)的汽車功率半導(dǎo)體企業(yè)正在該領(lǐng)域掀起新一輪擴(kuò)產(chǎn)熱潮。
日前博世宣布開始大規(guī)模量產(chǎn)由SiC這一創(chuàng)新材料制成的功率半導(dǎo)體，并將持續(xù)擴(kuò)大產(chǎn)能，旨在將產(chǎn)出提高至上億顆的水平。此前博世已經(jīng)開始擴(kuò)建羅伊特林根工廠的無塵車間，同時(shí)著手研發(fā)功率密度更高的第二代SiC芯片，預(yù)計(jì)將于2022年投入大規(guī)模量產(chǎn)。
東芝、羅姆半導(dǎo)體、富士電機(jī)等日本廠商也在積極增產(chǎn)車用SiC功率半導(dǎo)體。其中東芝被曝計(jì)劃在2023年將旗下姬路半導(dǎo)體工廠的SiC功率半導(dǎo)體產(chǎn)量擴(kuò)增至2020年度的3倍，并于2025年進(jìn)一步擴(kuò)增至10倍。
羅姆半導(dǎo)體則計(jì)劃投資500億日元，在2025年之前將SiC功率半導(dǎo)體產(chǎn)能提高至現(xiàn)行的5倍以上。為更好地聚焦新能源汽車市場，今年10月下旬羅姆與正海集團(tuán)共同宣布成立一家合資公司——海姆?？?，以專注于SiC功率模塊的設(shè)計(jì)和制造。
據(jù)了解，海姆?？频腟iC功率模塊計(jì)劃于2022年開始在日本羅姆工廠進(jìn)行小批量生產(chǎn)，2023年在閔行區(qū)工廠內(nèi)進(jìn)行大批量生產(chǎn)。其第一代產(chǎn)品主要面向電動(dòng)車逆變器領(lǐng)域，根據(jù)客戶車型及應(yīng)用場景不同，逆變器效率將提升3%至6%左右。
而在國內(nèi)，隨著新能源汽車的快速發(fā)展，也吸引了一批企業(yè)密集布局。據(jù)此前發(fā)布的《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》，2025年我國新能源新車銷量將占總銷量20%的目標(biāo)，也即是600萬輛(按年銷3000萬輛計(jì)算)左右。然而按照目前新能源汽車的發(fā)展趨勢，顯然好于預(yù)期。
日前，中國科學(xué)院院士、中國電動(dòng)車百人會(huì)副理事長歐陽明高就表示，預(yù)計(jì)明年新能源汽車的市場滲透率就將超過20%，達(dá)到500萬輛的規(guī)模，2025年進(jìn)一步增長至700萬-1000萬輛。
這意味著中國有望成為SiC需求最大市場。據(jù)相關(guān)預(yù)測數(shù)據(jù)顯示，到2025年，新能源汽車和充電樁領(lǐng)域的SiC市場規(guī)模將達(dá)到17.78億美元，約占SiC總市場規(guī)模的七成左右。而中國得益于新能源汽車的快速發(fā)展，有望貢獻(xiàn)近半數(shù)的市場。
因此，以比亞迪半導(dǎo)體、斯達(dá)半導(dǎo)、中國中車、三安光電、華潤微電子、派恩杰等本土企業(yè)也都在積極發(fā)力，發(fā)力車用SiC。其中三安光電已經(jīng)在湖南建設(shè)了國內(nèi)首條碳化硅全產(chǎn)業(yè)鏈生產(chǎn)線，涵蓋長晶、晶圓、外延、芯片、研發(fā)、封測環(huán)節(jié)，于今年6月正式點(diǎn)亮投產(chǎn)。據(jù)悉，下一步光伏、新能源和汽車的OBC、DC-DC、主驅(qū)都是其重點(diǎn)發(fā)力方向。
另外在車用SiC領(lǐng)域，國內(nèi)也開始涌現(xiàn)一批新銳力量，并密集獲得資本的加持。今年以來，包括派恩杰、瞻芯電子、阿基米德半導(dǎo)體、積塔半導(dǎo)體、臻驅(qū)科技、芯聚能半導(dǎo)體、基本半導(dǎo)體、利普思半導(dǎo)體等在內(nèi)的多家本土企業(yè)均獲得了新的融資，累計(jì)融資規(guī)模超百億元。
其中僅積塔半導(dǎo)體，在最新一輪融資中就獲得了80億元的資本加持，充分凸顯了資本對其的看好。阿基米德半導(dǎo)體也于近日獲得了3億元天使輪融資,用于推動(dòng)車規(guī)級(jí)光伏SiC/IGBT落地。
伴隨著相關(guān)企業(yè)的密集布局，據(jù)統(tǒng)計(jì)現(xiàn)階段國內(nèi)碳化硅項(xiàng)目已經(jīng)有100多個(gè)(包括其他非車用項(xiàng)目)?；诖耍就疗髽I(yè)在車用SiC領(lǐng)域已經(jīng)取得了一定的突破。
例如比亞迪基于在車規(guī)級(jí)功率半導(dǎo)體領(lǐng)域多年的研發(fā)，已經(jīng)成功在漢EV上使用其自主研發(fā)的SiC模塊。到2023年，比亞迪計(jì)劃將在旗下所有電動(dòng)車中用SiC功率半導(dǎo)體全面替代IGBT。利普思半導(dǎo)體的SiC產(chǎn)品也已于今年下半年開始量產(chǎn)，將于2022年完成乘用車SiC模塊產(chǎn)品量產(chǎn)。
派恩杰則于近日宣布SiC MOSFET產(chǎn)品在新能源汽車OBC應(yīng)用驗(yàn)證取得了重大突破，獲得了新能源汽車龍頭企業(yè)數(shù)千萬訂單，并已開始低調(diào)供貨，目前該公司正著力選址建造車用SiC模塊封裝產(chǎn)線。
盡管如此，車用第三代半導(dǎo)體領(lǐng)域，仍以美國、日本、歐洲等成熟市場的半導(dǎo)體企業(yè)占據(jù)主導(dǎo)地位，自主企業(yè)由于在車用領(lǐng)域真正有產(chǎn)品導(dǎo)入的并不多，整體份額還十分有限。據(jù)相關(guān)分析數(shù)據(jù)顯示，目前第三代半導(dǎo)體主要環(huán)節(jié)國產(chǎn)化率仍然較低，超過 80%的產(chǎn)品要依賴進(jìn)口。這意味著本土企業(yè)要想真正在車用SiC領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)自主突圍，還有很長一段路要走，尤其是如何滿足車規(guī)的高標(biāo)準(zhǔn)要求，是幾乎所有本土企業(yè)亟待解決的問題。
而且SiC的應(yīng)用本身還要考慮技術(shù)升級(jí)和市場效應(yīng)問題，并不會(huì)在短時(shí)間就完成對硅基IGBT的替代。據(jù)相關(guān)機(jī)構(gòu)預(yù)計(jì)，即便到2025-2026年，SiC的滲透率也不會(huì)超過20%，80%甚至更多還會(huì)是硅基IGBT。這背后， SiC 長晶技術(shù)壁壘高、器件良率低以及成本經(jīng)濟(jì)性等都是亟待攻克的問題。
但值得關(guān)注的，由于芯片短缺的持續(xù)蔓延，讓越來越多的本土企業(yè)意識(shí)到了供應(yīng)鏈自主可控的重要性，一些自主車企也在有意識(shí)地扶持本土玩家。吉利就于今年5月份通過旗下威睿電動(dòng)汽車與碳化硅企業(yè)芯聚能半導(dǎo)體等，合資成立了廣東芯粵能半導(dǎo)體有限公司，來布局碳化硅賽道。
上汽集團(tuán)則在近日通過旗下市場化私募股權(quán)投資平臺(tái)尚頎資本出資了5億元，參與積塔半導(dǎo)體的A輪投資，以助力積塔半導(dǎo)體加快IGBT和SiC功率器件等的研發(fā)進(jìn)程，推動(dòng)汽車核心芯片自主可控。而在今年年初，尚頎資本還參與投資了上海瀚薪，布局SiC賽道。
在自主車企和半導(dǎo)體廠商的“組合拳”下，汽車SiC領(lǐng)域正打開新一輪競爭局面。
(原標(biāo)題：助力800V高壓平臺(tái)上車，自主SiC加速搶風(fēng)口)
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