碳化硅，正迎來新能源車的800V風(fēng)口

2022-07-01 17:51:41

2021年以來，車企掀起了一輪800V電壓平臺車型的發(fā)布熱潮。

小鵬汽車（XPEV.US）、廣汽埃安、e平臺、吉利極氪、理想汽車(LI.US)、比亞迪(002594.SZ)、北汽極狐等車企陸續(xù)發(fā)布了搭載800V高電壓平臺的車型。

其中極氪汽車、小鵬、比亞迪等都將800V電壓平臺車型的量產(chǎn)定在了2022年。

實際上，早在2019年，保時捷(POAHY.US)就在Taycan搭載了800V高壓快充平臺，也是最早搭載該技術(shù)的車企，一度成為新能源汽車發(fā)展的新風(fēng)向。

隨后，車企開啟了800V電壓平臺時代，紛紛推出相應(yīng)的產(chǎn)品。尤其2021年以來，國內(nèi)外車企更是掀起了一輪800V電壓平臺車型發(fā)布潮，以搶攻大功率快充新高地。

未來，這一技術(shù)將進入更多的新能源汽車中，800V平臺架構(gòu)更將成為高壓快充的重要解決方案。由此，2022年也被認為是800V高壓充電平臺的發(fā)展元年。

在800V甚至更高水平的平臺上，高壓快充會涉及到車內(nèi)電源到車外充電整個強電鏈路。原本的硅基IGBT芯片達到了材料極限，而具備耐高壓、耐高溫、高頻等優(yōu)勢的碳化硅（SiC）器件，無疑成為最佳的替代方案。

未來，以SiC為核心的800V強電系統(tǒng)，將在主逆變器、電機驅(qū)動系統(tǒng)、DC-DC、車載充電器（OBC）以及非車載充電樁等領(lǐng)域迎來規(guī)?；l(fā)展。

據(jù)TrendForce數(shù)據(jù)顯示，隨著電動車滲透率不斷升高，以及整車架構(gòu)朝800V高壓方向邁進，預(yù)估2025年全球電動車市場對6英寸SiC晶圓需求可達169萬片。

圖片關(guān)鍵詞

可見，未來幾年SiC功率器件將隨著汽車電動化及800V高壓平臺的大規(guī)模上車，進入快速爆發(fā)階段。

本文將圍繞800V高壓技術(shù)的優(yōu)勢和落地掣肘因素，以及SiC在800V高壓技術(shù)上的應(yīng)用前景和行業(yè)布局，進行探討和分析。

圖片關(guān)鍵詞

800V+SiC，絕配

長期以來，續(xù)航里程和充電速度就是電動汽車的兩大短板。

這也是電動汽車為什么要上800V的原因所在。一方面是讓充電性能大幅提升，提高電池充電速度；另一方面在于提高整車運行效率，在同等電量情況下延長續(xù)駛里程。

根據(jù)電功率公式P=UI很好理解，當(dāng)前業(yè)界提高功率的路徑無非就是加大電流或提升電壓兩種方式。

大電流直流快充方案的代表企業(yè)是特斯拉，其V3超充樁最大輸出電流接近520A，最高充電功率250kW，但大電流會導(dǎo)致充電槍、線纜及動力電池核心部件等產(chǎn)生很高的熱損失，對散熱要求高，造成成本的增加。因此，選擇加大電流這條路的車企并不多。

高電壓直流快充是電動車企采取的另一套方案，且被多數(shù)車企采用。

當(dāng)系統(tǒng)電流維持不變，充電功率會隨著系統(tǒng)電壓的增加而翻倍，充電速度會大大提升。此外，在相同充電功率下，電壓高了，電流就可以降低，而導(dǎo)線就不用那么粗，進而能降低導(dǎo)線的電阻熱能耗。

華為的一項研究顯示，采用了800V高壓模式的快充支持30%-80% SOC（荷電狀態(tài)，反映電池的剩余容量）最大功率充電，而低壓大電流模式僅能在10%-20% SOC進行最大功率充電，在其他區(qū)間充電功率下降得非常迅速。可見，800V高壓模式能支持更長時間的快充。

綜合來看，800V高壓快充平臺的優(yōu)勢體現(xiàn)在同等功率，電流減半。這就意味著800V架構(gòu)下的動力性能和電池性能衰減會更小，從而可以使用更加輕便的銅線，有提升整個電池系統(tǒng)熱量管理水平的優(yōu)勢。

另一方面，在電流保持不變的情況下，電壓加倍可以大幅提升功率，顯著提高充電效率。

保時捷Taycan作為首款800V高壓平臺的量產(chǎn)車型，已將最大充電功率提升至350KW，可以在大約23分鐘內(nèi)，把動力電池從5%充至80%。

小鵬G9采用800V高壓SiC平臺，相比400V平臺續(xù)航提升了5%，可實現(xiàn)超充5分鐘，續(xù)航超過200km的能力。

雖說800V給電動車帶來了補能效率的質(zhì)變級提升，但800V的落地推廣還存在阻礙。

其中之一就是成本問題。

如果電動汽車架構(gòu)升級到800V，那么它高壓元器件的標準也就會相應(yīng)地提高，其中包括逆變器、電驅(qū)系統(tǒng)、電能轉(zhuǎn)換等在內(nèi)的強電鏈路也會從傳統(tǒng)的硅基產(chǎn)品換成SiC器件，成本提高了一個檔次。

在SiC方面，第一個吃螃蟹的人是特斯拉(TSLA.US)。

2018年，特斯拉在 Model 3中首次將IGBT模塊換成了SiC模塊。在相同功率等級下，SiC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%。換算下來，采用SiC模塊替代硅基IGBT模塊，系統(tǒng)效率可以提高5%左右。

從成本方面來看，這種替換成本增加將近1500元。但因為整車效率的提升，導(dǎo)致在電池端的成本又省回來了。

這算是特斯拉的一次豪賭，因其龐大的市場銷量而使得成本攤平，特斯拉也憑借這次豪賭搶先占據(jù)了400V電池系統(tǒng)的技術(shù)和市場，吃盡了紅利。

據(jù)天風(fēng)證券測算，盡管SiC成本過高的問題一直被詬病，但使用SiC材料可讓電機逆變器效率提升4%，這將讓電動車的續(xù)航里程至少提高7%。這似乎證明搭載SiC器件的新能源汽車已有明顯的綜合成本優(yōu)勢。

對于整車廠而言，應(yīng)用SiC一般不會單一考慮功率器件成本，更重要的是考慮整車成本變化。因此，如何找到“SiC帶來的成本節(jié)約”與“其本身高昂成本”之間的平衡十分重要。

而在800V方面，保時捷作為行業(yè)帶頭人，在2019推出的全電動Taycan跑車中安裝了800V系統(tǒng)，掀起了電動汽車800V高壓架構(gòu)的軍備競賽。

但是在技術(shù)開發(fā)和應(yīng)用上，這是“牽一發(fā)而動全身”的大工程。比如，在800V高壓充電下，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。

同時還要對現(xiàn)有充電樁進行升級，相比以往的普通充電樁，800V大功率充電樁的成本至少翻倍；此外，除了充電系統(tǒng)，還涉及電池系統(tǒng)、電驅(qū)系統(tǒng)、高壓輔件和線束系統(tǒng)，影響著車輛的啟動、行駛、空調(diào)使用等。

最初的Taycan并沒有拿出一個完全由800V用電器組成的電壓平臺，當(dāng)年的保時捷找不到800V工作電壓的空調(diào)壓縮機，而是通過DC-DC轉(zhuǎn)換器融合了400V和800V兩套高壓系統(tǒng)，并在電池的快充速度上進行了一定的妥協(xié)和讓步。

可以理解為，800V充電架構(gòu)有很大的應(yīng)用前景，但從當(dāng)下部分車企延遲量產(chǎn)落地時間來看，其中也不乏轉(zhuǎn)型的挑戰(zhàn)與陣痛。

一方面，高壓平臺看起來并不復(fù)雜，只是升高了整車的電壓，但對于技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用，卻是“牽一發(fā)而動全身”的系統(tǒng)工程電壓平臺的升高，意味著核心三電系統(tǒng)以及DC-DC、OBC等部件都要能在1000V甚至1200V的電壓下正常工作。

另一方面，當(dāng)下幾乎所有充電樁不能適配800V平臺，這就要求新裝的充電樁有向下兼容的功能，同時適配400V和800V。

當(dāng)前，整個800V SiC市場屬于新興市場，其發(fā)展速度取決于整體產(chǎn)業(yè)鏈的布局。一旦實現(xiàn)供應(yīng)鏈端、整車以及基建等整套系統(tǒng)的全部打通，SiC產(chǎn)業(yè)將從中大大受益。

對于未來的電動汽車平臺，800V+SiC功率半導(dǎo)體被業(yè)界認為是“絕配”組合。實際上，硅基IGBT和MOSFET也可以滿足800V的應(yīng)用，之所以把800V跟SiC聯(lián)系在一起，主要是基于技術(shù)層面的考量。

相比硅基IGBT，SiC器件體積更小、功率密度高、耐壓強，應(yīng)用在800V平臺中能夠產(chǎn)生更高的系統(tǒng)優(yōu)勢，可以達到充電快和續(xù)航里程遠的綜合效益。

800V電壓系統(tǒng)需要1200V的耐壓功率芯片，1200V器件選用SiC為襯底做MOSFET和Si襯底的IGBT對比能提高6%-8%的整車效率。因此，SiC正成為800V高壓快充平臺應(yīng)用的最優(yōu)選項，SiC時代迎來目前最正確的打開方式。

有數(shù)據(jù)預(yù)測，從系統(tǒng)布局、架構(gòu)和整個市場綜合來看，預(yù)計到2025年，800V SiC可能會有15%左右的市場占有率。同時因全球汽車電動化提速，這一預(yù)想的時間節(jié)點可能提前到來。

SiC產(chǎn)業(yè)鏈廠商加速布局

在近兩年技術(shù)產(chǎn)品發(fā)布上，“SiC”成為了所有零部件供應(yīng)商和主機廠經(jīng)常提起的明星產(chǎn)品。

目前來看，800V高壓平臺有望成為未來SiC的核心應(yīng)用場景，得到了汽車行業(yè)前所未有的重視，尤其在最近的幾年取得了顯著的進步。

SiC在汽車中的應(yīng)用，圖源：國信證券經(jīng)濟研究所

那么，SiC供應(yīng)鏈廠商如何抓住這一波“上車”窗口期？對此，英飛凌、意法半導(dǎo)體、Wolfspeed、法雷奧、博世等功率器件廠商和Tier1與車企展開深入合作，以推進800V SiC架構(gòu)上車進程。

英飛凌2021年6月上市的電動車逆變器SiC模組，將應(yīng)用于現(xiàn)代汽車下一代800V電動車型，通過使用基于英飛凌Cool SiC電源模塊的主驅(qū)逆變器，現(xiàn)代汽車能夠?qū)④囕v的續(xù)航里程提高超5%，目前其IONIQ 5車型采用緯湃科技Vitesco提供的800V逆變器，內(nèi)部使用的SiC模塊即來自英飛凌；

5月31日，緯湃科技宣布與英飛凌簽署了合作協(xié)議，將采用英飛凌的SiC功率器件，以開發(fā)800V緊湊型汽車逆變器功率模塊。

此前，緯湃獲得了現(xiàn)代汽車140億左右的訂單，將為現(xiàn)代汽車集團提供新一代軸驅(qū)動平臺——搭載 SiC 技術(shù)的 EMR4；2022年1月，緯湃科技已與福特汽車簽署協(xié)議，從2025年開始供應(yīng)800V SiC逆變器。這筆交易價值10億歐元。

英飛凌是該領(lǐng)域的龍頭企業(yè)，很早就已經(jīng)著手SiC器件的開發(fā)，從晶圓到單管到各種封裝形式的模塊都有長遠的規(guī)劃。

據(jù)了解，英飛凌擁有兩座12英寸功率半導(dǎo)體晶圓廠，這兩座工廠完全運行之后，每年能夠滿足2500萬輛電動汽車對功率半導(dǎo)體的需求。

在此基礎(chǔ)上，英飛凌還將繼續(xù)投資20億歐元，建設(shè)第三家半導(dǎo)體廠，第一批晶圓將于2024年下半年下線。

5月10日，意法半導(dǎo)體宣布正在為SEMIKRON（賽米控）的eMPack ?電動汽車電源模塊提供SiC技術(shù)，該訂單金額超10億歐元，計劃于2025年開始批量生產(chǎn)。

據(jù)悉，這是兩家公司已經(jīng)進行了為期四年的技術(shù)合作，旨在將其 STPOWER SiC MOSFET 與賽米控創(chuàng)新的DPD組裝工藝集成在一起。

同時，意法半導(dǎo)體與雷諾達成合作，將憑借意法半導(dǎo)體更高效的SiC等先進半導(dǎo)體產(chǎn)品和解決方案，支持雷諾下一代電動和混動汽車戰(zhàn)略。

5月9日，Wolfspeed官網(wǎng)稱，他們將為Rhombus Energy Solutions的 EV2flex-120?系列充電基礎(chǔ)設(shè)施產(chǎn)品提供1200V SiC MOSFET。據(jù)報道，Wolfspeed的SiCMOSFET將為Rhombus的充電產(chǎn)品帶來更高的效率、功率密度以及更快的充電時間。

4月25日，Wolfspeed宣布和Lucid簽訂了一項多年協(xié)議，Wolfspeed將為后者生產(chǎn)和供應(yīng)SiC器件，Lucid Air的逆變器將采用 Wolfspeed 的汽車級1200V SiC XM3半橋電源模塊。

此外，Wolfspeed已與通用汽車簽署戰(zhàn)略供應(yīng)商協(xié)議，為通用汽車的電動汽車開發(fā)和交付SiC功率器件，通用汽車將專門在其下一代電動汽車的Ultium Drive推進裝置中使用Wolfspeed的產(chǎn)品。

前不久，Wolfspeed宣布參與博格華納主導(dǎo)的直流快速充電樁項目，用于開發(fā)出第一個帶有10個充電點的充電樁，總功率可達350 kW。

而這些充電樁將搭載 SiC 技術(shù)，使其成本降低20-30%，該項目在2022年第一季度已經(jīng)啟動。

除了功率芯片企業(yè)在緊跟車廠步伐外，一些頭部Tier1也在基于800V平臺打造驅(qū)動系統(tǒng)。

6月7日，法雷奧宣布獲得了共計40億歐元的新能源汽車訂單。法雷奧稱，自2021年初以來，他們獲得的訂單包括電動機、逆變器、減速器、車載充電器和 DC-DC 轉(zhuǎn)換器。

其中，客戶特別關(guān)注他們的子公司法雷奧西門子電子汽車公司所開發(fā)的新型800V SiC技術(shù)，而此次的新訂單，800V SiC也是“頭號功臣”。

今年2月，法雷奧公開宣布將與意法半導(dǎo)體一起開發(fā)800V SiC模塊化開關(guān)單元。法雷奧表示，意法半導(dǎo)體將為他們提供用于開發(fā)800V 電動汽車逆變器的可擴展 1200V SiC 功率模塊。

作為Tier1頭部企業(yè)，博世去年底表示將準備開始大規(guī)模量產(chǎn)由SiC 制成的功率半導(dǎo)體，旨在將產(chǎn)出提高至上億顆的水平。

此前博世已經(jīng)開始擴建羅伊特林根工廠的無塵車間，同時著手研發(fā)功率密度更高的第二代SiC芯片，預(yù)計將于2022年投入大規(guī)模量產(chǎn)。未來越來越多的量產(chǎn)車將搭載SiC芯片及功率器件的應(yīng)用。

2021年，博世與江淮在上海簽訂戰(zhàn)略合作框架協(xié)議，雙方將在400V和800V電驅(qū)系統(tǒng)、SiC逆變器和電驅(qū)橋全方面開展合作。

其中，400V單減速器系統(tǒng)將用于輕卡等商用車，預(yù)計今年年底具備小幅量產(chǎn)能力。800V高壓電驅(qū)系統(tǒng)匹配全新乘用車產(chǎn)品，伴隨而來的還有逆變器的核心，即新一代功率半導(dǎo)體SiC芯片。

此外，東芝、羅姆、德爾福、采埃孚、博格華納等汽車零部件供應(yīng)商也都在800V SiC領(lǐng)域積極布局，陸續(xù)推出量產(chǎn)產(chǎn)品。2021年以來，在下游需求驅(qū)動下，半導(dǎo)體供應(yīng)商+車企的“組合拳”模式，正在加速SiC車規(guī)級產(chǎn)品落地。

放眼市場，車用第三代半導(dǎo)體SiC領(lǐng)域仍以歐美日等成熟市場的半導(dǎo)體企業(yè)占據(jù)主導(dǎo)地位。

但隨著新能源汽車的快速發(fā)展，也吸引了一批國內(nèi)企業(yè)密集布局。以比亞迪半導(dǎo)體、斯達半導(dǎo)、中國中車、三安光電、華潤微電子、派恩杰、芯聚能等本土企業(yè)也都在積極發(fā)力，發(fā)力車用SiC。

尤其是比亞迪半導(dǎo)體、中車時代、三安光電、芯聚能等這些采用IDM模式的廠商優(yōu)勢更明顯，斯達半導(dǎo)體也正從Fabless模式向IDM模式轉(zhuǎn)型。

另一方面，在國產(chǎn)替代風(fēng)口與資本投資熱潮下，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。

有觀點表示，本土企業(yè)要想真正在車用SiC領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)自主突圍，任重道遠。尤其是如何滿足車規(guī)的高標準要求，是幾乎所有本土企業(yè)亟待解決的問題，但目前已經(jīng)實現(xiàn)了從無到有的突破，相信規(guī)模量產(chǎn)只是時間問題。

對于國內(nèi)企業(yè)在800V SiC器件上的進展和挑戰(zhàn)，三安光電副總經(jīng)理陳東坡表示：“對于SiC器件和模塊，要將系統(tǒng)電壓提升到800V的話，那么元器件應(yīng)推升到1200V，但是1200V SiC MOSFET器件，目前國內(nèi)還較為欠缺。

再往上游看，襯底和材料部分，目前國內(nèi)4英寸的基本可以滿足，但如果要追求性價比，降低成本的話需要往6英寸甚至8英寸延伸，目前國內(nèi)市場和國外龍頭企業(yè)還有一些差距。”

TrendForce的報告顯示，隨著電動車滲透率不斷升高，以及整車架構(gòu)朝800V高壓方向邁進，預(yù)估2025年全球電動車市場對6英寸SiC晶圓需求可達169萬片。

在巨大的市場潛力下，目前SiC市場滲透率還不高，未來發(fā)展空間很大。國內(nèi)SiC供應(yīng)鏈需要把握時間窗口，重視產(chǎn)品研發(fā)，盡快推出更多車規(guī)級的SiC產(chǎn)品。

國內(nèi)車企和Tier1廠商應(yīng)該更多與上游元器件廠商聯(lián)合創(chuàng)新，并盡快完成認證，盡快提高批量制造能力和良品率。

有業(yè)內(nèi)專家表示，從行業(yè)當(dāng)前進程來看，這是國產(chǎn)功率器件借著SiC在電動車主驅(qū)的應(yīng)用契機，也是全面趕超國外功率器件的機會。在可預(yù)見的未來，估計IGBT市場還是歐美及日本企業(yè)吃肉其他品牌喝湯的局面。

只有切換跑道，快速加入SiC功率器件的技術(shù)迭代進程，搶在SiC功率器件技術(shù)成熟之前，在國外沒有形成絕對技術(shù)和產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢護城河的SiC方向發(fā)力，結(jié)合國內(nèi)的大市場大供應(yīng)鏈集中力量干大事的優(yōu)勢，才能走出國產(chǎn)SiC功率器件的領(lǐng)先之路。

中國的優(yōu)勢是同時擁有最大的統(tǒng)一市場和最全的供應(yīng)鏈，2000年之后國內(nèi)集齊這兩個大基礎(chǔ)，一旦遇到新技術(shù)和產(chǎn)業(yè)升級的機遇，新技術(shù)新產(chǎn)業(yè)方向的驗證和修正效率無人能及，會在國內(nèi)市場博弈出全球領(lǐng)先的新技術(shù)和新產(chǎn)業(yè)公司。

寫在最后

綜合來看，800V高壓平臺將是未來新能源汽車重要發(fā)展趨勢之一。行業(yè)廠商和國家政策層面都在快速推進高壓平臺和充電樁等基礎(chǔ)設(shè)施的快速建設(shè)。未來兩三年內(nèi)，800V高壓快充技術(shù)將得到大范圍普及應(yīng)用。

不過，800V高壓架構(gòu)的普及應(yīng)用并非一蹴而就，還面臨著上述提到的基礎(chǔ)設(shè)施不匹配、技術(shù)挑戰(zhàn)和成本等方面的問題。

然而，800V電氣架構(gòu)升級具備長期趨勢，這場高壓平臺“升級革命”讓SiC器件成為焦點，伴隨國內(nèi)外眾多企業(yè)加速布局800V高壓平臺，SiC產(chǎn)業(yè)鏈在其趨勢和挑戰(zhàn)中正迎來“風(fēng)口”。

據(jù)Yole的預(yù)測數(shù)據(jù)，預(yù)計到2027年，SiC器件市場將從2021年的10億美元規(guī)模增長到60億美元以上。

Danfoss的DCM平臺碳化硅模塊必將成為重要的一個產(chǎn)品。

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