车用SiC,迎来800V风口

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2021年以来,车企掀起了一轮800V电压平台车型的发布热潮。

小鹏汽车、广汽埃安、e平台、吉利极氪、理想汽车、比亚迪、北汽极狐等车企陆续发布了搭载800V高电压平台的车型。其中极氪汽车、小鹏、比亚迪等都将800V电压平台车型的量产定在了2022年。

实际上,早在2019年,保时捷就在Taycan搭载了800V高压快充平台,也是最早搭载该技术的车企,一度成为新能源汽车发展的新风向。

随后,车企开启了800V电压平台时代,纷纷推出相应的产品。尤其2021年以来,国内外车企更是掀起了一轮800V电压平台车型发布潮,以抢攻大功率快充新高地。未来,这一技术将进入更多的新能源汽车中,800V平台架构更将成为高压快充的重要解决方案。由此,2022年也被认为是800V高压充电平台的发展元年。

在800V甚至更高水平的平台上,高压快充会涉及到车内电源到车外充电整个强电链路。原本的硅基IGBT芯片达到了材料极限,而具备耐高压、耐高温、高频等优势的碳化硅(SiC)器件,无疑成为最佳的替代方案。

未来,以SiC为核心的800V强电系统,将在主逆变器、电机驱动系统、DC-DC、车载充电器(OBC)以及非车载充电桩等领域迎来规模化发展。

据TrendForce数据显示,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。

可见,未来几年SiC功率器件将随着汽车电动化及800V高压平台的大规模上车,进入快速爆发阶段。

本文将围绕800V高压技术的优势和落地掣肘因素,以及SiC在800V高压技术上的应用前景和行业布局,进行探讨和分析。

800V+SiC,绝配

长期以来,续航里程和充电速度就是电动汽车的两大短板。

这也是电动汽车为什么要上800V的原因所在。一方面是让充电性能大幅提升,提高电池充电速度;另一方面在于提高整车运行效率,在同等电量情况下延长续驶里程。

根据电功率公式P=UI很好理解,当前业界提高功率的路径无非就是加大电流或提升电压两种方式。

大电流直流快充方案的代表企业是特斯拉,其V3超充桩最大输出电流接近520A,最高充电功率250kW,但大电流会导致充电枪、线缆及动力电池核心部件等产生很高的热损失,对散热要求高,造成成本的增加。因此,选择加大电流这条路的车企并不多。

高电压直流快充是电动车企采取的另一套方案,且被多数车企采用。

当系统电流维持不变,充电功率会随着系统电压的增加而翻倍,充电速度会大大提升。此外,在相同充电功率下,电压高了,电流就可以降低,而导线就不用那么粗,进而能降低导线的电阻热能耗。

华为的一项研究显示,采用了800V高压模式的快充支持30%-80% SOC(荷电状态,反映电池的剩余容量)最大功率充电,而低压大电流模式仅能在10%-20% SOC进行最大功率充电,在其他区间充电功率下降得非常迅速。可见,800V高压模式能支持更长时间的快充。

综合来看,800V高压快充平台的优势体现在同等功率,电流减半。这就意味着800V架构下的动力性能和电池性能衰减会更小,从而可以使用更加轻便的铜线,有提升整个电池系统热量管理水平的优势。另一方面,在电流保持不变的情况下,电压加倍可以大幅提升功率,显著提高充电效率。

保时捷Taycan作为首款800V高压平台的量产车型,已将最大充电功率提升至350KW,可以在大约23分钟内,把动力电池从5%充至80%;小鹏G9采用800V高压SiC平台,相比400V平台续航提升了5%,可实现超充5分钟,续航超过200km的能力。

虽说800V给电动车带来了补能效率的质变级提升,但800V的落地推广还存在阻碍。

其中之一就是成本问题。

如果电动汽车架构升级到800V,那么它高压元器件的标准也就会相应地提高,其中包括逆变器、电驱系统、电能转换等在内的强电链路也会从传统的硅基产品换成SiC器件,成本提高了一个档次。

在SiC方面,第一个吃螃蟹的人是特斯拉。

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

从成本方面来看,这种替换成本增加将近1500元。但因为整车效率的提升,导致在电池端的成本又省回来了。这算是特斯拉的一次豪赌,因其庞大的市场销量而使得成本摊平,特斯拉也凭借这次豪赌抢先占据了400V电池系统的技术和市场,吃尽了红利。

据天风证券测算,尽管SiC成本过高的问题一直被诟病,但使用SiC材料可让电机逆变器效率提升4%,这将让电动车的续航里程至少提高7%。这似乎证明搭载SiC器件的新能源汽车已有明显的综合成本优势。

对于整车厂而言,应用SiC一般不会单一考虑功率器件成本,更重要的是考虑整车成本变化。因此,如何找到“SiC带来的成本节约”与“其本身高昂成本”之间的平衡十分重要。

而在800V方面,保时捷作为行业带头人,在2019推出的全电动Taycan跑车中安装了800V系统,掀起了电动汽车800V高压架构的军备竞赛。

但是在技术开发和应用上,这是“牵一发而动全身”的大工程。比如,在800V高压充电下,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。同时还要对现有充电桩进行升级,相比以往的普通充电桩,800V大功率充电桩的成本至少翻倍;此外,除了充电系统,还涉及电池系统、电驱系统、高压辅件和线束系统,影响着车辆的启动、行驶、空调使用等。

最初的Taycan并没有拿出一个完全由800V用电器组成的电压平台,当年的保时捷找不到800V工作电压的空调压缩机,而是通过DC-DC转换器融合了400V和800V两套高压系统,并在电池的快充速度上进行了一定的妥协和让步。

可以理解为, 800V充电架构有很大的应用前景,但从当下部分车企延迟量产落地时间来看,其中也不乏转型的挑战与阵痛。

一方面,高压平台看起来并不复杂,只是升高了整车的电压,但对于技术的开发和应用,却是“牵一发而动全身”的系统工程电压平台的升高,意味着核心三电系统以及DC-DC、OBC等部件都要能在1000V甚至1200V的电压下正常工作。

另一方面,当下几乎所有充电桩不能适配800V平台,这就要求新装的充电桩有向下兼容的功能,同时适配400V和800V。

当前,整个800V SiC市场属于新兴市场,其发展速度取决于整体产业链的布局。一旦实现供应链端、整车以及基建等整套系统的全部打通,SiC产业将从中大大受益。

对于未来的电动汽车平台,800V+SiC功率半导体被业界认为是“绝配”组合。实际上,硅基IGBT和MOSFET也可以满足800V的应用,之所以把800V跟SiC联系在一起,主要是基于技术层面的考量。

相比硅基IGBT,SiC器件体积更小、功率密度高、耐压强,应用在800V平台中能够产生更高的系统优势,可以达到充电快和续航里程远的综合效益。

800V电压系统需要1200V的耐压功率芯片,1200V器件选用SiC为衬底做MOSFET和Si衬底的IGBT对比能提高6%-8%的整车效率。因此, SiC正成为800V高压快充平台应用的最优选项,SiC时代迎来目前最正确的打开方式。

有数据预测,从系统布局、架构和整个市场综合来看,预计到2025年,800V SiC可能会有15%左右的市场占有率。同时因全球汽车电动化提速,这一预想的时间节点可能提前到来。

SiC产业链厂商加速布局

在近两年技术产品发布上,“SiC”成为了所有零部件供应商和主机厂经常提起的明星产品。目前来看,800V高压平台有望成为未来SiC的核心应用场景,得到了汽车行业前所未有的重视,尤其在最近的几年取得了显著的进步。

SiC在汽车中的应用

(图源:国信证券经济研究所)

那么,SiC供应链厂商如何抓住这一波“上车”窗口期?对此,英飞凌、意法半导体、Wolfspeed、法雷奥、博世等功率器件厂商和Tier1与车企展开深入合作,以推进800V SiC架构上车进程。

英飞凌

英飞凌2021年6月上市的电动车逆变器SiC模组,将应用于现代汽车下一代800V电动车型,通过使用基于英飞凌Cool SiC电源模块的主驱逆变器,现代汽车能够将车辆的续航里程提高超5%,目前其IONIQ 5车型采用纬湃科技Vitesco提供的800V逆变器,内部使用的SiC模块即来自英飞凌;

5月31日,纬湃科技宣布与英飞凌签署了合作协议,将采用英飞凌的SiC功率器件,以开发800V紧凑型汽车逆变器功率模块。此前,纬湃获得了现代汽车140亿左右的订单,将为现代汽车集团提供新一代轴驱动平台——搭载 SiC 技术的 EMR4;2022年1月,纬湃科技已与福特汽车签署协议,从2025年开始供应800V SiC逆变器。这笔交易价值10亿欧元。

英飞凌是该领域的龙头企业,很早就已经着手SiC器件的开发,从晶圆到单管到各种封装形式的模块都有长远的规划。据了解,英飞凌拥有两座12英寸功率半导体晶圆厂,这两座工厂完全运行之后,每年能够满足2500万辆电动汽车对功率半导体的需求。在此基础上,英飞凌还将继续投资20亿欧元,建设第三家半导体厂,第一批晶圆将于2024年下半年下线。

意法半导体

5月10日,意法半导体宣布正在为SEMIKRON(赛米控)的eMPack ®电动汽车电源模块提供SiC技术,该订单金额超10亿欧元,计划于2025年开始批量生产。据悉,这是两家公司已经进行了为期四年的技术合作,旨在将其 STPOWER SiC MOSFET 与赛米控创新的DPD组装工艺集成在一起。

同时,意法半导体与雷诺达成合作,将凭借意法半导体更高效的SiC等先进半导体产品和解决方案,支持雷诺下一代电动和混动汽车战略。

Wolfspeed

5月9日,Wolfspeed官网称,他们将为Rhombus Energy Solutions的 EV2flex-120™系列充电基础设施产品提供1200V SiC MOSFET。据报道,Wolfspeed的SiCMOSFET将为Rhombus的充电产品带来更高的效率、功率密度以及更快的充电时间。

4月25日,Wolfspeed宣布和Lucid签订了一项多年协议,Wolfspeed将为后者生产和供应SiC器件,Lucid Air的逆变器将采用 Wolfspeed 的汽车级1200V SiC XM3半桥电源模块。

此外,Wolfspeed已与通用汽车签署战略供应商协议,为通用汽车的电动汽车开发和交付SiC功率器件,通用汽车将专门在其下一代电动汽车的Ultium Drive推进装置中使用Wolfspeed的产品。

前不久,Wolfspeed宣布参与博格华纳主导的直流快速充电桩项目,用于开发出第一个带有10个充电点的充电桩,总功率可达350 kW。而这些充电桩将搭载 SiC 技术,使其成本降低20-30%,该项目在2022年第一季度已经启动。

除了功率芯片企业在紧跟车厂步伐外,一些头部Tier1也在基于800V平台打造驱动系统。

法雷奥

6月7日,法雷奥宣布获得了共计40亿欧元的新能源汽车订单。法雷奥称,自2021年初以来,他们获得的订单包括电动机、逆变器、减速器、车载充电器和 DC-DC 转换器。其中,客户特别关注他们的子公司法雷奥西门子电子汽车公司所开发的新型800V SiC技术,而此次的新订单,800V SiC也是“头号功臣”。

今年2月,法雷奥公开宣布将与意法半导体一起开发800V SiC模块化开关单元。法雷奥表示,意法半导体将为他们提供用于开发800V 电动汽车逆变器的可扩展 1200V SiC 功率模块。

博世

作为Tier1头部企业,博世去年底表示将准备开始大规模量产由SiC 制成的功率半导体,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。未来越来越多的量产车将搭载SiC芯片及功率器件的应用。

2021年,博世与江淮在上海签订战略合作框架协议,双方将在400V和800V电驱系统、SiC逆变器和电驱桥全方面开展合作。其中,400V单减速器系统将用于轻卡等商用车,预计今年年底具备小幅量产能力。800V高压电驱系统匹配全新乘用车产品,伴随而来的还有逆变器的核心,即新一代功率半导体SiC芯片。

此外,东芝、罗姆、德尔福、采埃孚、博格华纳等汽车零部件供应商也都在800V SiC领域积极布局,陆续推出量产产品。2021年以来,在下游需求驱动下, 半导体供应商+车企的“组合拳”模式,正在加速SiC车规级产品落地。

国内厂商迎来机遇

放眼市场,车用第三代半导体SiC领域仍以欧美日等成熟市场的半导体企业占据主导地位。

但随着新能源汽车的快速发展,也吸引了一批国内企业密集布局。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、芯聚能等本土企业也都在积极发力,发力车用SiC。尤其是比亚迪半导体、中车时代、三安光电、芯聚能等这些采用IDM模式的厂商优势更明显,斯达半导体也正从Fabless模式向IDM模式转型。

另一方面,在国产替代风口与资本投资热潮下,国内也开始涌现一批新锐力量,并密集获得资本的加持。

有观点表示,本土企业要想真正在车用SiC领域实现自主突围,任重道远。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,但目前已经实现了从无到有的突破,相信规模量产只是时间问题。

对于国内企业在800V SiC器件上的进展和挑战,三安光电副总经理陈东坡表示:“对于SiC器件和模块,要将系统电压提升到800V的话,那么元器件应推升到1200V,但是1200V SiC MOSFET器件,目前国内还较为欠缺。再往上游看,衬底和材料部分,目前国内4英寸的基本可以满足,但如果要追求性价比,降低成本的话需要往6英寸甚至8英寸延伸,目前国内市场和国外龙头企业还有一些差距。”

TrendForce的报告显示,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。

在巨大的市场潜力下,目前SiC市场渗透率还不高,未来发展空间很大。国内SiC供应链需要把握时间窗口,重视产品研发,尽快推出更多车规级的SiC产品。 国内车企和Tier1厂商应该更多与上游元器件厂商联合创新,并尽快完成认证,尽快提高批量制造能力和良品率。

有业内专家表示,从行业当前进程来看,这是国产功率器件借着SiC在电动车主驱的应用契机,也是全面赶超国外功率器件的机会。在可预见的未来,估计IGBT市场还是欧美及日本企业吃肉其他品牌喝汤的局面。只有切换跑道,快速加入SiC功率器件的技术迭代进程,抢在SiC功率器件技术成熟之前, 在国外没有形成绝对技术和产业优势护城河的SiC方向发力,结合国内的大市场大供应链集中力量干大事的优势,才能走出国产SiC功率器件的领先之路。

中国的优势是同时拥有最大的统一市场和最全的供应链,2000年之后国内集齐这两个大基础,一旦遇到新技术和产业升级的机遇,新技术新产业方向的验证和修正效率无人能及,会在国内市场博弈出全球领先的新技术和新产业公司。

写在最后

综合来看,800V高压平台将是未来新能源汽车重要发展趋势之一。行业厂商和国家政策层面都在快速推进高压平台和充电桩等基础设施的快速建设。未来两三年内,800V高压快充技术将得到大范围普及应用。

不过,800V高压架构的普及应用并非一蹴而就,还面临着上述提到的基础设施不匹配、技术挑战和成本等方面的问题。然而,800V电气架构升级具备长期趋势,这场高压平台“升级革命”让SiC器件成为焦点,伴随国内外众多企业加速布局800V高压平台,SiC产业链在其趋势和挑战中正迎来“风口”。

据Yole的预测数据,预计到2027年,SiC器件市场将从2021年的10亿美元规模增长到60亿美元以上。

当下,SiC+800V大热,说不清是SiC成就了800V,还是800V成就了SiC。“如鲸向海,似鸟归林”,一个个都找到了归宿。