近期，隨著眾多車企紛紛宣布推出800V高壓快充車型，碳化硅的熱度再次升溫。800V架構(gòu)對(duì)碳化硅的應(yīng)用究竟會(huì)帶來哪些助力？碳化硅器件在新能源汽車中的應(yīng)用趨勢(shì)又是怎樣的？
1月18日，某半導(dǎo)體協(xié)會(huì)資深產(chǎn)業(yè)分析師對(duì)碳化硅領(lǐng)域政策進(jìn)行了解讀，并對(duì)行業(yè)趨勢(shì)和未來發(fā)展方向進(jìn)行了專業(yè)分析。專家表示，第三代半導(dǎo)體的戰(zhàn)略地位顯著，是推動(dòng)新基建和實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的關(guān)鍵；伴隨新能源汽車對(duì)提升充電效率的旺盛需求，以及800V電壓平臺(tái)的批量應(yīng)用，具有高耐壓和低損耗特點(diǎn)的碳化硅器件將加速滲透。
政策持續(xù)扶持第三代半導(dǎo)體 助力新基建和“雙碳”目標(biāo)達(dá)成
按歷史發(fā)展進(jìn)程，半導(dǎo)體襯底材料可為三個(gè)代際。第一代半導(dǎo)體材料以硅為代表，因制備工藝成熟、自然界儲(chǔ)備量大，目前使用仍最為廣泛。而在功率器件領(lǐng)域，傳統(tǒng)硅基材料逐漸接近物理極限，以碳化硅為代表的第三代半導(dǎo)體逐漸嶄露頭角。
隨著我國對(duì)新型基礎(chǔ)建設(shè)的布局展開和“雙碳”目標(biāo)的提出，碳化硅和氮化稼等第三代半導(dǎo)體的作用也愈發(fā)凸顯。
“以碳化硅和氮化鎵等第三代半導(dǎo)體材料為基礎(chǔ)制備的電力電子器件，是新基建的關(guān)鍵性核心器件，如使用半絕緣型碳化硅襯底制作的氮化鎵射頻器件，是5G基站的核心裝備之一；而在特高壓輸電、軌道交通、新能源汽車、大數(shù)據(jù)中心等領(lǐng)域，碳化硅基的肖特基二極管和MOSFET，同樣發(fā)揮重要作用，”專家介紹稱，“同時(shí)，第三代半導(dǎo)體對(duì)于建成可循環(huán)、高效、高可靠性的能源網(wǎng)絡(luò)意義重大，可以助力實(shí)現(xiàn)光伏、風(fēng)電、直流特高壓輸電、新能源汽車、工業(yè)電源、機(jī)車牽引、消費(fèi)電源等領(lǐng)域電能的高效轉(zhuǎn)換，推動(dòng)能源綠色低碳發(fā)展。”
政策方面，國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃也在持續(xù)支持第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。“十三五”期間，國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目部署涵蓋了電力電子、微波射頻和光電子三個(gè)大方向，緊貼產(chǎn)業(yè)發(fā)展實(shí)際需求和進(jìn)程，對(duì)新能源汽車應(yīng)用、電網(wǎng)應(yīng)用等多個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮了引導(dǎo)作用。在2020年科技部發(fā)布的年度重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃部署安排中，包括“功率碳化硅芯片和器件在移動(dòng)儲(chǔ)能裝置中的應(yīng)用”，“新一代碳化硅電力電子器件共性技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)研究”等多個(gè)立項(xiàng)項(xiàng)目均與第三代半導(dǎo)體相關(guān)。
“隨著碳化硅等寬禁帶半導(dǎo)體的發(fā)展被寫入‘十四五’規(guī)劃和2035遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要，我們預(yù)計(jì)在‘十四五’規(guī)劃期間，各個(gè)地方政府也會(huì)相繼出臺(tái)相關(guān)鼓勵(lì)政策，在教育、科研、開發(fā)、融資、應(yīng)用等各個(gè)方面，大力支持發(fā)展第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)的獨(dú)立自主。”該專家表示。
新能源汽車為最佳應(yīng)用場景 800V架構(gòu)將加速碳化硅滲透
目前主要的第三代半導(dǎo)體器件包括應(yīng)用于射頻領(lǐng)域的氮化稼器件、應(yīng)用于電力電子功率領(lǐng)域的碳化硅器件等，其中又以碳化硅功率器件的未來空間最廣。2018年，隨著特斯拉在其Model 3車型中對(duì)碳化硅器件的成功應(yīng)用，示范效應(yīng)迅速放大，使得新能源汽車市場很快成為碳化硅興起的源泉，相關(guān)市場的產(chǎn)值快速崛起。根據(jù)第三方市調(diào)機(jī)構(gòu)TrendForce集邦咨詢數(shù)據(jù)，2020年碳化硅功率器件的市場規(guī)模約為6.7億美元，預(yù)計(jì)2025年將達(dá)到33.9億美元，年復(fù)合增長率為38%。
新能源汽車系統(tǒng)架構(gòu)中涉及的功率半導(dǎo)體組件主要包括電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、車載充電系統(tǒng)（OBC）、電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（DC/DC）以及非車載的充電樁。在這些領(lǐng)域，碳化硅器件可以承受更高電壓、提升充電速度和電能轉(zhuǎn)換效率，從而增加電動(dòng)汽車的續(xù)航里程。
“比如在電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的方式是采用硅基的IGBT，而碳化硅器件可以有效降低10%的能量損耗，同時(shí)減少80%的體積，有助于新能源汽車的輕量化和車內(nèi)的布局。”專家解釋稱。
當(dāng)下，續(xù)航里程和充電速度仍是制約新能源汽車普及的較大短板。目前車企的解決方案有兩種，一是提升電池容量，另一個(gè)是提高充電效率。
“提升電池容量是能夠緩解里程焦慮的，但電池是電動(dòng)汽車價(jià)值量最高的部件，電池容量的提升勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致邊際成本和整車重量增加，消費(fèi)者的購車成本及后續(xù)使用中的整車功耗會(huì)隨之增加，因而這個(gè)方案并不是非常完美。”專家表示，對(duì)于提升充電效率而言，可以通過提升電流或者電壓的方式，但電流提升會(huì)導(dǎo)致電氣系統(tǒng)發(fā)熱加劇，從而對(duì)電動(dòng)車散熱提出更高要求，所以高壓快充成為目前業(yè)內(nèi)的最優(yōu)解。
2019年，保時(shí)捷在全球首次推出800V的高壓電氣架構(gòu)，搭載800V直流快充系統(tǒng)，支持350千瓦大功率快充。2021年之后，高壓快充路線受到了越來越多主機(jī)廠的青睞，韓國現(xiàn)代、起亞等國際巨頭先后發(fā)布了800V平臺(tái)，國內(nèi)比亞迪、長城、廣汽、小鵬、東風(fēng)等主機(jī)廠也相繼跟進(jìn)。
“目前電動(dòng)車的電壓水平普遍在200~400V，如果提升到800V，意味著電動(dòng)車所有的高壓元器件以及管理系統(tǒng)都要提高標(biāo)準(zhǔn)，”該專家表示，“傳統(tǒng)硅基的IGBT通常適應(yīng)的高壓平臺(tái)在600~700V左右，如果母線電壓提升到800V，對(duì)應(yīng)的功率器件耐壓需要提高到1200V，所以在高壓條件下，碳化硅會(huì)成為必然選擇，而隨著各大廠商相繼推出800V的高壓平臺(tái)，碳化硅的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展勢(shì)必將得到很大的推動(dòng)。”
襯底產(chǎn)能仍是制約瓶頸 爆發(fā)時(shí)點(diǎn)或在2023-2025年
上有支持政策，下有旺盛需求，然而整個(gè)碳化硅產(chǎn)業(yè)的發(fā)展目前仍處于起步階段，那么制約其爆發(fā)的瓶頸何在？該專家認(rèn)為，主要原因在于碳化硅尤其是襯底環(huán)節(jié)的技術(shù)壁壘較高，產(chǎn)能釋放有待時(shí)間。
“從成本拆分角度來講，碳化硅襯底成本約占到器件總成本的50%左右，襯底制備對(duì)技術(shù)要求比較高，行業(yè)準(zhǔn)入門檻也高。”上述專家表示，晶體生長速度慢、生長過程難控、材料硬度高等原因，導(dǎo)致目前碳化硅襯底的制備良率和成本，相較于硅仍有不小的差距。
“以長晶速度為例，目前大部分廠商采用的都是氣相傳輸（PVT）法，一周左右晶體只能生長大約兩厘米的厚度，相比來說，硅棒2~3天就可以達(dá)到兩米左右。所以碳化硅的生長速度比較緩慢，時(shí)間成本就比較高。”專家說道。
盡管Wolfspeed、II-VI等海外龍頭擴(kuò)產(chǎn)積極，國內(nèi)也有許多碳化硅項(xiàng)目上馬，專家認(rèn)為，短期內(nèi)制約第三代半導(dǎo)體快速應(yīng)用的瓶頸仍將是襯底的產(chǎn)能不足。
“目前全球碳化硅的產(chǎn)能還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，可能僅夠特斯拉一家車企采用。盡管有許多公司在積極擴(kuò)產(chǎn)，但產(chǎn)能釋放還需要一定時(shí)間，”該專家表示，“個(gè)人預(yù)計(jì)大規(guī)模的爆發(fā)可能在2023年到2025年這個(gè)時(shí)間段，屆時(shí)在高壓平臺(tái)領(lǐng)域會(huì)有更多玩家進(jìn)入，碳化硅的產(chǎn)能也相應(yīng)開出，所以可能會(huì)迎來爆發(fā)。”（來源：財(cái)聯(lián)社）
