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800V“绝配”碳化硅
发布时间： 2022-01-20
来源：
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。
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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。”
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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。
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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。
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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”。
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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。
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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。
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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。
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碳化硅的优势
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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。
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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。
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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%。
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举个国内的例子 ，像比亚迪汉EV的SiC ？橥β是榭鱿绿寤瞎鐸GBT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。
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2018年 ，特斯拉在Model 3中首次将IGBT ？榛怀闪颂蓟枘 ？。使用下来 ，在相同功率等级下 ，碳化硅 ？榈姆庾俺叽缑飨孕∮诠枘 ？ ，并且开关损耗降低了75%。而且 ，换算下来 ，采用SiC ？樘娲鶬GBT ？ ，其系统效率可以提高5%左右。
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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。
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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。
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8英寸时代到来前 ，供需失衡
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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Norrk?ping工厂制造出首批8英寸碳化硅晶圆。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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%。
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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。
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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、山东天岳等能够供应3~6英寸的单晶衬底。
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外延片方面 ，国内厦门瀚天天成、东莞天域光已能提供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。
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800V“元年”
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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”。
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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。
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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。
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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 ；褂辛闩 ，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。
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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%。
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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。
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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。
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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。
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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。