碳化硅缓解电动汽车“里程焦虑”
充电10分钟，续航300公里。近日，小鹏汽车推出其走量车型G6，搭载800V高压平台，充电1分钟可增加5%的续航。不只是小鹏汽车，当下，高压快充成为越来越多国内外主流车企深度布局电动化的路线选择，推动车规级碳化硅站上“新风口”。业内专家表示，碳化硅是800V电压平台下功率器件的首要选择。800V高压碳化硅平台既可以提高电池充电速度，又能够提高整车运行效率，在同等电池容量情况下延长续航里程，成为缓解电动汽车“里程焦虑”的一剂良药。
碳化硅“绝配”800V
续航低、充电慢一直以来都是困扰新能源汽车车主和车企的两大难题。要解决这些问题，一方面需要提高电池续航里程，另一方面则是要加快充电速度。800V高压碳化硅平台的诞生，就是为了实现快充。
电动汽车高压平台不是指某一个器件可以在800V高压下正常工作，而是电池、电机、电机控制器都可以运行在高压状态下。国家新能源汽车技术创新中心总工程师刘朝辉告诉《中国电子报》记者，实现快充的方式有提升充电电流和提升充电电压两种。大电流方案会增加充电过程中的热量，对汽车整体架构、热管理以及电池BMS要求较高，且效率提升空间有限。因此，国内外车企大多倾向采用低电流、高电压方式。其优点在于，除了可以有效降低发热现象外，还能进一步减少重量，节省车内空间。这一方面让充电性能大幅提升，提高电池充电速度；另一方面提高整车运行效率，在同等电池容量情况下延长续航里程。
目前，将整车平台电压提升到800V开始成为主流电动车企的共识。2019年，保时捷推出首款纯电超跑Taycan，第一次将电动汽车主流的400V电压平台升级到800V，可在30分钟内，把电池电量从5%充至80%。2022年，小鹏汽车发布全球首款搭载800V高压碳化硅平台量产车型G9，实现超充5分钟，续航超过200公里，电量从10%充至80%最快仅需15分钟。今年4月，理想汽车发布800V超充方案，涵盖碳化硅高压电驱系统、4C电池、宽温域热管理系统和4C超充网络，实现充电10分钟补能400公里。据记者不完全统计，目前全球已推出或计划推出800V高压系统的汽车品牌多达20余家，比亚迪、吉利、奥迪、通用、哪吒等车企都在采用高电压的方式提升充电速度。
“整车选择高压架构是实现超级快充的必经之路，800V左右的高压在当前可支撑实现2C快充。”华为数字能源技术有限公司智能电动领域副总裁彭鹏表示，对于一辆搭载100kWh电量的电动汽车而言，在当前400V电压平台、250A电流下，30分钟才能充电30%至80%。而如果电压提升到800V，15分钟能充满电池，达到4C的效率，基本满足现阶段消费者的快充需求。
要构建800V高压平台，碳化硅功率器件是关键。一位业内人士告诉《中国电子报》记者，碳化硅取代硅基IGBT是不可逆的趋势，尤其是在800V充电架构之下，硅基IGBT已接近性能极限，很难满足主驱逆变器的技术需求。
刘朝辉介绍，碳化硅材料性能优越，耐高温、高压、高频，是800V电压平台下功率器件的首要选择。采用碳化硅MOSFET可以减小开关损耗、提高工作频率、增加系统功率密度，超越采用IGBT器件系统的性能。
小鹏汽车功率系统负责人表示：“采用碳化硅的高压电机控制器，CLTC（中国轻型汽车行驶工况续航）工况能量转换效率可提高3%~4%，实现整车续航里程的提升。”
尽管碳化硅成本过高问题一直饱受诟病，但多位业内专家指出，整车厂一般不会单一考虑单个功率器件成本变化，而是更加关注整车成本变化。碳化硅方案能够提升整车系统效率，并未提高整车成本。
“目前单个碳化硅功率器件的成本约为硅基IGBT的3倍。但在高压平台碳化硅方案下，电驱动系统开关频率提高，线路电流减小，器件更紧凑，大大节省了电缆、动力电池、冷却系统等部件成本，综合下来，使用碳化硅可以实现不大幅增加整车成本但显著提升充电速度的效果。未来，碳化硅规模化量产之后，成本会继续下探，为降低整车成本创造更大空间。”刘朝辉预计，800V高压碳化硅平台或将在2025年后逐步普及，届时，电动汽车有望实现充电5—10分钟续航500公里，与传统油车加油3—5分钟实现的续航里程相当。
碳化硅厂商加速布局
电动汽车800V高压平台的落地推动车规级碳化硅快速发展。上述业内人士指出，目前来看，800V高压平台有望成为未来碳化硅的核心应用产品，得到功率器件厂商“前所未有”的重视。
800V的高压系统，需要800V—1200V的功率元器件支持。英飞凌、意法半导体、Wolfspeed、法雷奥、博世等功率器件厂商、汽车零部件一级供应商（Tier1）与车企展开深入合作，加速推进高压碳化硅架构上车。
英飞凌2021年6月上市电动汽车逆变器碳化硅模组，应用于现代汽车下一代800V电动车型。基于该模组，现代汽车车辆续航里程提高5%以上。今年6月，英飞凌宣布推出适用于汽车应用的新一代1200V CoolSiC MOSFET，与第一代产品相比，新产品开关损耗降低25%，在实现高频操作的同时，可缩小系统尺寸、提高功率密度。目前，该产品已被汽车充电系统供应商科世达用于下一代车载充电机（OBC）平台中。
意法半导体于2021年5月宣布，为电源模块系统厂商塞米控的eMPack电动汽车电源模块提供碳化硅技术，帮助其建立750V和1200V eMPack平台。2022年年底，意法半导体宣布推出新型碳化硅功率模组，并称该模组将被现代集团800V E-GMP电动车平台采用。今年3月，英国跑车制造商迈凯伦宣布已与意法半导体达成合作，下一代IPG5 800V逆变器将搭载由后者提供的1200V碳化硅MOSFET模块。
Wolfspeed公司已经为Rhombus Energy Solutions提供1200V碳化硅MOSFET；博世基于碳化硅模块，在乘用车方面推出扁线800V三合一电驱动总成（电机+电控+减速器），并与江淮汽车在800V电驱、碳化硅逆变器展开全方面合作；法雷奥新开发出800V碳化硅功率模块，可提升5%的续航里程，同时减轻重量约40%……
放眼市场，车规级碳化硅领域仍由外国半导体企业占据主导地位。但国内新能源汽车产业的快速发展，也吸引了一批国内企业积极发力。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、芯聚能等都在布局车规级碳化硅产品。
根据CASA Research不完全统计，2022年国内至少有14家企业推出了超过217款碳化硅MOSFET，品种较2021年增加70%，耐压水平提高到1700V。模块技术方面，2022年，比亚迪推出1200V/1040A碳化硅模块，功率再创新高，大量应用于比亚迪热销车型。芯聚能1200V APD系列碳化硅模块已搭载主驱逆变器上车过万台。
对于国内企业在800V碳化硅器件上的进展和挑战，三安光电副总经理陈东坡表示：“对于碳化硅器件和模块，如果要将系统电压提升到800V，那么元器件应推升到1200V，但是1200V碳化硅MOSFET器件，目前国内还较为欠缺。再往上游看，在衬底和材料部分，目前国内4英寸的产品基本可以满足。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，国内企业和国外龙头企业还有一些差距。”
供不应求局面或将缓解
业界认为，800V高压平台将成为未来电动汽车的主流平台，而其普及之路，却正陷入碳化硅功率器件供不应求的“瓶颈”。
近期，马斯克在特斯拉投资者大会上宣布，其下一代平台将减少75%碳化硅使用量，引起业界波动。值得一提的是，在碳化硅方面，早在2016年，特斯拉就率先在Model3上应用了低压碳化硅。
上述业内人士告诉《中国电子报》记者，很多人看到这个消息，第一反应是碳化硅“失势”了，这其实是一种误解。他解释说，特斯拉可能通过升级800V平台，且采用新的封装技术来改善碳化硅单管或模块的性能和散热能力，将几个小的器件做成了一个大的器件。也就是说，碳化硅器件的使用数量减少了，但是材料的使用量基本没有变。这是技术的进步，也提升了产品的质量。此外，器件数量的减少也意味着整车系统的成本下降。降价是打开市场的一个信号，之前碳化硅多用于高端车型，而以后中、低端车型也都可以使用，产业规模扩大了，更有利于碳化硅的普及。
同时，碳化硅的多项优势吸引新能源车企纷纷追随特斯拉上车应用，导致碳化硅供应不足。刘朝辉表示，从国际企业披露的订单详情来看，目前意法半导体、英飞凌、安森美、wolfspeed等公司订单量远超产能。
Yole预测，2021至2027年全球碳化硅功率器件市场规模有望从10.9亿美元增长到62.97亿美元，保持年均34%的复合增速。其中，车规级市场是碳化硅最主要的应用场景，将从2021年的6.85亿美元增长至2027年的49.86亿美元。方正证券预计，2026年全球碳化硅衬底有效产能为330万片，同年衬底需求量为629万片，供需存在较大差距。
基本半导体总经理和巍巍告诉《中国电子报》记者，碳化硅衬底生产比较困难，包括碳粉硅粉合成、晶体生长、晶锭加工等诸多精细步骤。核心的参数涉及直径、杂质、均匀性、弯曲翘曲以及光滑度等参数。未来两三年要增长到约六七十亿美元的规模，这个过程对产业界来说压力巨大。因为每个环节扩产都不是一时就能实现的，需要很多的人才和资金投入。
刘朝辉指出，受制于制备工艺水平，国产碳化硅芯片良率不高于60%，导致产能不足。此外，晶圆厂设备备件的交货时间、新产能、新设备的交期时间等因素，都限制了产能。他预计，碳化硅产能供不应求局面或将在2025年后有所缓解。
“目前多个国内供应商已经完成了碳化硅芯片的流片并开始小批量送样。”上述小鹏汽车功率系统负责人表示，“长期来看，国际供应商已针对碳化硅进行产能布局与投资，增加供应产能。2025年开始，新增产能会逐步释放。同时国内供应商正在长晶、衬底、晶圆制造等环节加速核心工艺的研发与投入。随着国际供应商新增产能释放与国内供应商的成熟度提升，碳化硅供应的形势会逐步好转。”
责任编辑：龚倩