碳化硅器件加速狂飆！新能源車全球普及加速

新能源車全球普及加速，功率密度標(biāo)準(zhǔn)持續(xù)提升為SiC產(chǎn)業(yè)落地提供契機(jī)。歐盟方面，在民眾訴求的推動(dòng)下，歐盟的碳排放標(biāo)準(zhǔn)日趨嚴(yán)格，現(xiàn)行的碳排放標(biāo)準(zhǔn)要求2021年生產(chǎn)的乘用車碳排放量滿足95g/km，我們認(rèn)為在此嚴(yán)苛要求下，新能源汽車或?qū)⑻娲加蛙嚒?br />
美國方面，拜登上臺(tái)帶來美國新能源政策轉(zhuǎn)向，并計(jì)劃于2050年實(shí)現(xiàn)碳中和，我們認(rèn)為政府方面也希望借助特斯拉等頭部企業(yè)助力美國汽車制造業(yè)在新趨勢下保持領(lǐng)先地位。

中國方面，2019年中國石油對(duì)外依存度超過70%，我們認(rèn)為電動(dòng)車對(duì)保障能源安全至關(guān)重要，且中國憑借市場空間、工程師紅利等優(yōu)勢，有望借助汽車電動(dòng)化實(shí)現(xiàn)汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展彎道超車的目標(biāo)。

我們看到，在各國制定的電動(dòng)車發(fā)展路線圖中，功率密度標(biāo)準(zhǔn)逼近主流Si基器件的性能極限，SiC器件成為理想替代。我們認(rèn)為SiC有望在電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)加速發(fā)展及滲透率提升的雙重推動(dòng)下迎來需求快速成長。

SiC解決電動(dòng)車三大需求痛點(diǎn)，規(guī)模普及即將到來。我們認(rèn)為，SiC有望從以下三個(gè)方面解決Si基器件的痛點(diǎn)問題：

1）續(xù)航里程是電動(dòng)車的一大痛點(diǎn)，根據(jù)英飛凌數(shù)據(jù)，SiC器件整體損耗相比Si基器件降低80%以上，導(dǎo)通及開關(guān)損耗減小，有助于增加電動(dòng)車?yán)m(xù)航里程；

2）輕量化的實(shí)現(xiàn)。SiC器件具備高飽和速率、高電流密度、高熱導(dǎo)率的特點(diǎn)，有利于實(shí)現(xiàn)電控模塊小型化、周邊系統(tǒng)小型化、冷卻系統(tǒng)簡單化，從而減輕整車重量；

3）滿足800V高電平要求。為配合快充應(yīng)用，車內(nèi)電平向更高的800V提高是大勢所趨，在1200V IGBT車規(guī)產(chǎn)品難以普及的背景下，使用SiC MOSFET是良好的解決方案。我們認(rèn)為，目前SiC無法大規(guī)模商用的主要矛盾在于成本高昂，但根據(jù)我們的測算，在新能源車平價(jià)目標(biāo)成本假設(shè)下（三電成本與傳統(tǒng)動(dòng)力總成價(jià)格相當(dāng)），若SiC的器件成本下降至硅基器件的2倍時(shí)，其經(jīng)濟(jì)效益有望助推SiC在全系列車型全面普及。

目前電動(dòng)汽車主要采用硅基器件，但受自身性能極限限制，硅基器件的功率密度難以進(jìn)一步提高。在電動(dòng)汽車的動(dòng)力單元和控制單元中，變換器和逆變器多采用Si基IGBT或MOSFET作為功率器件。但Si材料在高開關(guān)頻率及高壓下?lián)p耗大幅提升，功率密度已經(jīng)接近了其性能極限。我們看到，早期的主流混動(dòng)車型中，其逆變器功率密度基本在20kW/L以下，而采用了第三代化合物半導(dǎo)體SiC材料的逆變器，由于SiC具有效率高、尺寸更小和重量更低的優(yōu)勢，可以將功率密度大幅提升，我們認(rèn)為其是Si材料未來的理想替代。

性能優(yōu)勢助推碳化硅器件快速發(fā)展，規(guī)模普及即將到來SiC提升電能轉(zhuǎn)換效率，增加續(xù)航里程續(xù)航里程是電動(dòng)車的一大痛點(diǎn)。結(jié)合英飛凌的研究數(shù)據(jù)，我們認(rèn)為SiC器件可以從導(dǎo)通/開關(guān)兩個(gè)維度降低損耗，整體損耗相比Si基器件降低80%以上，實(shí)現(xiàn)增加電動(dòng)車?yán)m(xù)航里程的目的。

SiC助力新能源車實(shí)現(xiàn)輕量化

輕量化是整車廠的不懈追求。我們認(rèn)為SiC器件具備高飽和速率、高電流密度、高熱導(dǎo)率的特點(diǎn)，有利于新能源汽車零部件輕量化的實(shí)現(xiàn)。

SiC材料具備更高的電流密度，相同功率等級(jí)下封裝尺寸更小。SiC具備較高的載流子遷移率，能夠提供較高的電流密度。在相同功率等級(jí)下，碳化硅功率模塊的體積顯著小于硅基模塊，有助于提升系統(tǒng)的功率密度。以IPM為例，碳化硅功率模塊體積可縮小至硅功率模塊的2/3-1/3。

SiC能夠?qū)崿F(xiàn)高頻開關(guān)，減少無源器件的體積和成本。

SiC材料的電子飽和速率是Si的2倍，有助于提升器件的工作頻率；此外，如上文所述，高臨界擊穿電場（10倍于Si）的特性使其能夠?qū)OSFET帶入高壓領(lǐng)域，克服IGBT開關(guān)過程中的拖尾電流問題，開關(guān)損耗低，提升實(shí)際應(yīng)用中的開關(guān)頻率，減少濾波器和無源器件如變壓器、電容、電感等的使用，從而減少系統(tǒng)體系和重量。在實(shí)現(xiàn)相同電感電流的情況下，開關(guān)頻率越高，可以適當(dāng)降低電感值。

SiC禁帶寬且具有良好的熱導(dǎo)率，可以減小散熱器的體積和成本。由于SiC材料具有寬禁帶寬度且熱導(dǎo)率高的特點(diǎn)，更容易散熱，器件可以在更高的環(huán)境溫度下工作。理論上，SiC功率器件可在175℃結(jié)溫下工作。主流電動(dòng)汽車一般包含兩套水冷系統(tǒng)——引擎冷卻系統(tǒng)和電力電子設(shè)備的冷卻系統(tǒng)，冷卻溫度分別為105和70℃。如果采用SiC功率器件，可以使器件工作于較高的環(huán)境溫度中，有望實(shí)現(xiàn)兩套水冷系統(tǒng)合二為一，甚至采用風(fēng)冷系統(tǒng)，減少散熱器體積及成本。

快充使得整車電平提高，IGBT工作電壓恐難滿足需求

實(shí)現(xiàn)快充的關(guān)鍵是通過增大電流或提升電壓提升充電功率，由于電流提升存在可預(yù)見的上限，高電壓是實(shí)現(xiàn)快充的必然趨勢。根據(jù)e-technology的研究，受到充電插頭及電芯的溫度限制，即使采用液冷充電插頭，電動(dòng)車充電也存在500A的電流上限，要實(shí)現(xiàn)200kW以上的快充功率，電動(dòng)車必然會(huì)從400V系統(tǒng)轉(zhuǎn)向800V系統(tǒng)。同時(shí)，達(dá)到相同功率的情況下，提升電壓則可以相應(yīng)降低電流，減少散熱及導(dǎo)線橫截面。根據(jù)e-technology的估算，以100kWh的電池為例，從400V電車系統(tǒng)提升為800V電車系統(tǒng)，由于電池散熱減重及導(dǎo)線質(zhì)量降低可以推動(dòng)電池實(shí)現(xiàn)25kg的重量降低，降低電車能耗，提升電車?yán)m(xù)航里程。

我們認(rèn)為，若系統(tǒng)電壓（總線電壓）從400V提高至800V，需要同時(shí)提高半導(dǎo)體器件的耐壓的水平，650V IGBT將無法工作，Si MOSFET的耐壓極限也會(huì)明顯被超越，若采用Si基器件，必須使用1200V IGBT。受限于體積、功耗、散熱等因素，通常情況下1200V的IGBT模塊一般服務(wù)于工業(yè)場景，很難通過車規(guī)認(rèn)證，2018年英飛凌才推出第七代IGBT技術(shù)，使1200V模塊車用成為可能。但我們認(rèn)為，SiC的材料特性優(yōu)勢有望使其在800V系統(tǒng)部署中更受整車廠青睞，同時(shí)，輸出功率的提升也使SiC材料成為800V系統(tǒng)的理想選擇。

SiC產(chǎn)業(yè)鏈主要包含以下四個(gè)環(huán)節(jié)：襯底生長、外延生長、器件設(shè)計(jì)及制造（或分工完成，采用一體化的IDM模式）。中國本土目前企業(yè)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)產(chǎn)業(yè)鏈的全覆蓋布局，但在較大尺寸導(dǎo)電型襯底（6寸及以上）、MOSFET器件設(shè)計(jì)制造上與海外同業(yè)者相比仍存在較大進(jìn)步空間。

審核編輯：劉清