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助力800V高压平台上车,自主SiC加速抢风口

盖世汽车 2021-12-09 07:05:07

受制于硅基IGBT的材料极限,目前电动汽车的高压系统普遍采用的是400V电压平台。如果想要将电压平台从400V提升到800V甚至更高的水平,进而提高充电功率、缩短充电时间,就必须要寻找硅基IGBT的替代方案。

SiC功率器件正是在这种背景下被推上风口的。相较于传统的硅基材料,SiC由于具备耐高压、耐高温、高频等优势,已经被普遍认为是800V平台量产应用的关键支撑技术,目前很多车企推出的800V高压平台都是基于SiC研发。在此趋势下,预计未来几年SiC器件将随着800V平台的大规模上车进入快速爆发阶段。

800V平台布局热下,SiC借势而起

在新能源汽车的普及过程中,续航里程不足和补能速度慢一直是制约行业发展的两大痛点。为此,业界提出了一系列的解决方案,包括推广换电模式,研发更长续航里程车型,发展快充技术等。

其中换电模式虽然在补能效率上获得了业界的肯定,但因初期投资大,现阶段行业标准不统一,目前还面临着商业推广难度大、成本高等问题。而长续航里程车型,在单次续航提升的同时,如果充电效率没有得到革命性的提升,充电等待时间其实也是水涨船高,并不能从根本上缓解续航焦虑。比较之下,快充技术由于可以通过优化单次补能效率,真正打造媲美燃油车的补能体验,正获得越来越多车企的青睐。

现阶段快充技术主要有两种:低压大电流快充和800V甚至更高水平的高压快充技术。其中大电流快充相较于高电压方案,会因为短时间内电流大幅攀升而导致温度急剧升高,这就对电控、线束和散热的要求较高,目前只有Tesla、极氪等少数品牌在开展相关的探索或应用。绝大多数的主流车企均选择了高压快充方案,特别是800V高压快充,已经被很多整车厂提上了日程。

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800V高压SiC平台+480kW高压超充,图片来源:小鹏汽车

比如小鹏汽车刚刚在广州车展上亮相的全新SUV车型小鹏G9,就首次采用了800V高压SiC平台。据悉,为充分发挥800V平台的超充技术优势,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分钟最高可补充200公里续航。该车计划于明年三季度开启交付。

同样在此次车展上亮相的长城沙龙汽车首款车型机甲龙,也表示支持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,也在布局800V 超高压充电,其800V平台将在 2024 年第四季度量产,在朱江明看来,这是800V 充电出现的最佳时机,目前相关的配套都还不太成熟。

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部分车企高压平台规划,图片来源:盖世汽车

另外,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、通用奥特能等也都选择了800V高电压平台,并进行了相应的布局,车型应用范围开始从高端车型往下探。就量产时间来看,各大车企基于该技术方案的新车将于明后年陆续上市,这意味着明年有望成为我国800V高压平台发展元年,而真正要到800V产品大年,预计要到2024年左右。

根据华创证券预测,2021-2023年,国内800V产业有望实现从0到1的突破,在这之后将进入一个爆发期,2023-2025年复合增速有望超过70%,然后在2025-2030年进入稳步增长阶段,复合增速约为20%。

在800V平台走热背后,SiC功率器件的规模化应用起到了重要支撑作用。在传统的车规级功率半导体中,以硅基IGBT占据主导,但由于硅材料物理性能的限制,如果将其应用于800V平台,在高开关频率及高压下损耗会大幅提升,无法很好地支撑高压平台演进。

而SiC器件由于把碳原子加入到用于制造半导体的高纯硅晶体结构中,很好地突破了传统硅基材料的极限,实现更大的禁带宽度、更高的临界击穿场强和热导率等优异的材料特性,可充分满足整车架构朝800V高压方向迈进时的耐高压、耐高温、高频等需求,提升整个系统的效率。比如在主逆变器上,据悉采用SiC模块替代IGBT模块,其系统效率可以提高5%左右。

不仅如此,SiC 还具有体积小、功率密度大等优势,可以助力电动汽车减小模块体积重量、提升续航能力。据相关分析数据显示,在车载充电系统中采用SiC器件,与硅器件相比,其体积可减少60%。续航方面,与使用纯硅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了6%。

但这也带来了材料成本的增加。据了解,目前SiC的价格大约是Si的3-5倍,在相同性能的产品条件下,用SiC替代硅基IGBT成本大约会增加3000元。但如果就整个系统的综合成本来看,最终使用SiC合计大约会产生约2000元左右的成本降低。

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图片来源:吉利汽车

正因为如此,在当前电动汽车续航和补能焦虑迟迟未得到解决的情况下,SiC +800V组合被视为了一个主流方向。而伴随着800V平台的推进,目前很多整车厂也在同步布局SiC赛道。比如吉利,就在自研SiC功率芯片,并计划于2023年正式量产。与此同时,吉利还在今年8月与罗姆达成了合作,利用后者的SiC方案开发高效电控系统和车载充电系统。

零跑的碳化硅控制器也计划于 2023 年年底量产。据朱江明介绍,届时这套碳化硅控制器可以将电驱功率上限再提高 300kW,并且提高 4% 以上的续航。还有蔚来汽车,首台碳化硅电驱系统C样件也已经于今年6月在南京先进制造技术中心正式下线,将在2022年随着蔚来ET7的交付正式量产。

在此背景下, 2023年汽车行业有望迎来碳化硅电机控制器的量产爆发。如果考虑车载OBC、充电桩等领域的SiC使用渗透提升,需求量将更大。据TrendForce集邦咨询研究显示,随着电动车渗透率不断升高,以及整车架构朝800V高压方向迈进,预估2025年全球电动车市场对6英寸SiC晶圆需求可达169万片。

多方势力暗战车用SiC,本土企业加速突围

伴随着SiC在新能源汽车领域的“走热”,传统的汽车功率半导体企业正在该领域掀起新一轮扩产热潮。

日前博世宣布开始大规模量产由SiC这一创新材料制成的功率半导体,并将持续扩大产能,旨在将产出提高至上亿颗的水平。此前博世已经开始扩建罗伊特林根工厂的无尘车间,同时着手研发功率密度更高的第二代SiC芯片,预计将于2022年投入大规模量产。

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博世碳化硅晶圆;图片来源:博世

东芝、罗姆半导体、富士电机等日本厂商也在积极增产车用SiC功率半导体。其中东芝被曝计划在2023年将旗下姬路半导体工厂的SiC功率半导体产量扩增至2020年度的3倍,并于2025年进一步扩增至10倍。

罗姆半导体则计划投资500亿日元,在2025年之前将SiC功率半导体产能提高至现行的5倍以上。为更好地聚焦新能源汽车市场,今年10月下旬罗姆与正海集团共同宣布成立一家合资公司——海姆希科,以专注于SiC功率模块的设计和制造。

据了解,海姆希科的SiC功率模块计划于2022年开始在日本罗姆工厂进行小批量生产,2023年在闵行区工厂内进行大批量生产。其第一代产品主要面向电动车逆变器领域,根据客户车型及应用场景不同,逆变器效率将提升3%至6%左右。

而在国内,随着新能源汽车的快速发展,也吸引了一批企业密集布局。据此前发布的《新能源汽车产业发展规划》,2025年我国新能源新车销量将占总销量20%的目标,也即是600万辆(按年销3000万辆计算)左右。然而按照目前新能源汽车的发展趋势,显然好于预期。

日前,中国科学院院士、中国电动车百人会副理事长欧阳明高就表示,预计明年新能源汽车的市场渗透率就将超过20%,达到500万辆的规模,2025年进一步增长至700万-1000万辆。

这意味着中国有望成为SiC需求最大市场。据相关预测数据显示,到2025年,新能源汽车和充电桩领域的SiC市场规模将达到17.78亿美元,约占SiC总市场规模的七成左右。而中国得益于新能源汽车的快速发展,有望贡献近半数的市场。

因此,以比亚迪半导体、斯达半导、中国中车、三安光电、华润微电子、派恩杰等本土企业也都在积极发力,发力车用SiC。其中三安光电已经在湖南建设了国内首条碳化硅全产业链生产线,涵盖长晶、晶圆、外延、芯片、研发、封测环节,于今年6月正式点亮投产。据悉,下一步光伏、新能源和汽车的OBC、DC-DC、主驱都是其重点发力方向。

另外在车用SiC领域,国内也开始涌现一批新锐力量,并密集获得资本的加持。今年以来,包括派恩杰、瞻芯电子、阿基米德半导体、积塔半导体、臻驱科技、芯聚能半导体、基本半导体、利普思半导体等在内的多家本土企业均获得了新的融资,累计融资规模超百亿元。

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图片来源:积塔半导体

其中仅积塔半导体,在最新一轮融资中就获得了80亿元的资本加持,充分凸显了资本对其的看好。阿基米德半导体也于近日获得了3亿元天使轮融资,用于推动车规级光伏SiC/IGBT落地。

伴随着相关企业的密集布局,据统计现阶段国内碳化硅项目已经有100多个(包括其他非车用项目)。基于此,本土企业在车用SiC领域已经取得了一定的突破。

例如比亚迪基于在车规级功率半导体领域多年的研发,已经成功在汉EV上使用其自主研发的SiC模块。到2023年,比亚迪计划将在旗下所有电动车中用SiC功率半导体全面替代IGBT。利普思半导体的SiC产品也已于今年下半年开始量产,将于2022年完成乘用车SiC模块产品量产。

派恩杰则于近日宣布SiC MOSFET产品在新能源汽车OBC应用验证取得了重大突破,获得了新能源汽车龙头企业数千万订单,并已开始低调供货,目前该公司正着力选址建造车用SiC模块封装产线。

尽管如此,车用第三代半导体领域,仍以美国、日本、欧洲等成熟市场的半导体企业占据主导地位,自主企业由于在车用领域真正有产品导入的并不多,整体份额还十分有限。据相关分析数据显示,目前第三代半导体主要环节国产化率仍然较低,超过 80%的产品要依赖进口。这意味着本土企业要想真正在车用SiC领域实现自主突围,还有很长一段路要走,尤其是如何满足车规的高标准要求,是几乎所有本土企业亟待解决的问题。

而且SiC的应用本身还要考虑技术升级和市场效应问题,并不会在短时间就完成对硅基IGBT的替代。据相关机构预计,即便到2025-2026年,SiC的渗透率也不会超过20%,80%甚至更多还会是硅基IGBT。这背后, SiC 长晶技术壁垒高、器件良率低以及成本经济性等都是亟待攻克的问题。

但值得关注的,由于芯片短缺的持续蔓延,让越来越多的本土企业意识到了供应链自主可控的重要性,一些自主车企也在有意识地扶持本土玩家。吉利就于今年5月份通过旗下威睿电动汽车与碳化硅企业芯聚能半导体等,合资成立了广东芯粤能半导体有限公司,来布局碳化硅赛道。

上汽集团则在近日通过旗下市场化私募股权投资平台尚颀资本出资了5亿元,参与积塔半导体的A轮投资,以助力积塔半导体加快IGBT和SiC功率器件等的研发进程,推动汽车核心芯片自主可控。而在今年年初,尚颀资本还参与投资了上海瀚薪,布局SiC赛道。

在自主车企和半导体厂商的“组合拳”下,汽车SiC领域正打开新一轮竞争局面。