未來(lái)SiC在充電樁上的應(yīng)用

　　電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/梁浩斌）碳化硅在新能源領(lǐng)域的應(yīng)用近年來(lái)進(jìn)展神速，自去年開(kāi)始，多家車(chē)企的新車(chē)型在主驅(qū)逆變器或是在OBC上都采用了碳化硅器件，比如蔚來(lái)ET5/7、SMART精靈、小鵬G9、比亞迪海豹、路特斯Eletre等。今年則更加普遍，包括極氪009/X、小鵬G6，雷克薩斯RZ、現(xiàn)代IONIQ 6等等，還有更多車(chē)企已經(jīng)官宣在未來(lái)的車(chē)型中采用SiC技術(shù)。

　　作為新能源汽車(chē)的重要配套設(shè)施，近年來(lái)充電樁也在國(guó)家政策以及新能源汽車(chē)快充需求推動(dòng)下持續(xù)發(fā)展，大功率充電樁逐步開(kāi)始鋪開(kāi)。

　　SiC相比傳統(tǒng)硅基功率半導(dǎo)體，在大功率、高電壓的應(yīng)用場(chǎng)景中具有很大的優(yōu)勢(shì)，因此充電樁一直以來(lái)都是SiC行業(yè)的重要目標(biāo)市場(chǎng)之一。如今在新能源汽車(chē)上風(fēng)生水起的SiC器件，在充電樁市場(chǎng)的表現(xiàn)又如何？

　　充電模塊功率密度需求驅(qū)動(dòng)，SiC二極管率先上樁

　　為了解決電動(dòng)汽車(chē)補(bǔ)能痛點(diǎn)，大功率快充是大部分車(chē)企選擇的路線，在800V平臺(tái)的應(yīng)用下，充電功率可以輕松超過(guò)200kW，而一些車(chē)型通過(guò)采用更高充電倍率的電池包，快充功率可以超過(guò)400kW。

　　于是，以往的120kW、180kW等規(guī)格的充電樁功率已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足目前新能源汽車(chē)的需求，400kW以上的大功率充電樁，是目前行業(yè)的重要發(fā)展方向。

　　不過(guò)對(duì)于SiC的應(yīng)用，威兆半導(dǎo)體產(chǎn)品總監(jiān)陳銀認(rèn)為，由于技術(shù)上的一些難點(diǎn)，短期來(lái)看200kW內(nèi)的充電樁SiC應(yīng)用會(huì)相比400kW充電樁增速更快。

　　“400KW超大功率充電樁，是一個(gè)重要的產(chǎn)品發(fā)展方向。相信400KW會(huì)有廠商不斷加入進(jìn)來(lái)，但短時(shí)間內(nèi)形成不了較大的市場(chǎng)規(guī)模，更多的是企業(yè)一個(gè)先進(jìn)的技術(shù)研發(fā)實(shí)力和產(chǎn)品的展示。反而200KW以?xún)?nèi)的充電樁SIC的應(yīng)用會(huì)越來(lái)越多，這主要基于效率和功率密度的提升需求考慮?！?/p>

　　據(jù)陳銀介紹，400kW超大功率充電樁本身有一定的技術(shù)難度，例如如何提高樁的功率密度、內(nèi)部散熱如何處理、如何平衡充電站的波峰波谷等等一系列問(wèn)題，與現(xiàn)在市面上快充樁不論是電路拓?fù)?、熱管理方式、功率器件的需求都有非常大的區(qū)別，并不是簡(jiǎn)單的功率提升；同時(shí)對(duì)車(chē)身上的充電管理和動(dòng)力電池等部件而言，也需要專(zhuān)門(mén)的設(shè)計(jì)來(lái)匹配這么大的充電功率，這對(duì)成本和可靠性、壽命都帶來(lái)非常大的挑戰(zhàn)。

　　談到SiC在充電樁上的應(yīng)用情況，森國(guó)科總經(jīng)理?xiàng)畛袝x在接受電子發(fā)燒友網(wǎng)采訪時(shí)表示，現(xiàn)階段SiC二極管的需求量較大，而使用SiC MOSFET+SiC二極管的“全碳化硅”充電樁方案也有在設(shè)計(jì)中。

　　“從今年的情況來(lái)看，隨著SiC二極管的降本，SiC在充電樁產(chǎn)品上的應(yīng)用滲透速度是加快了的。特別是在1200V等級(jí)下，SiC二極管的性?xún)r(jià)比已經(jīng)追趕上同樣是1200V的硅基二極管?！?/p>

　　據(jù)楊承晉介紹，硅基二極管與SiC二極管在650V規(guī)格下價(jià)格差距可能還比較大，但是目前大功率充電樁普遍采用高壓小電流方案，電壓達(dá)到800V甚至1000V。所以在充電樁中要提高耐壓的話，需要用到2顆650V硅基二極管串聯(lián)，但如果用SiC二極管，可以只需要一顆1200V的產(chǎn)品，性?xún)r(jià)比相對(duì)較高。

　　目前SiC MOSFET在充電樁上應(yīng)用不多，不過(guò)楊承晉也提到公司的SiC MOSFET產(chǎn)品仍處于供不應(yīng)求的階段。

　　盡管SiC是有廣闊的應(yīng)用前景，但現(xiàn)階段的市場(chǎng)上，新能源汽車(chē)中的主流功率器件依然是硅基的產(chǎn)品，充電樁同樣如此。

　　對(duì)于在充電樁中的應(yīng)用，陳銀表示，充電樁行業(yè)都是比較標(biāo)準(zhǔn)的模塊化設(shè)計(jì)和產(chǎn)品，目前主流的單模塊功率有15KW、20KW、30KW、40KW等，主流還是IGBT+SJMOS方案，使用SiC器件還是比較少，僅有小部分廠商在整流部分用到SiC二極管。

　　陳銀預(yù)計(jì)，當(dāng)充電樁模塊功率再往上提高50KW、60KW，同時(shí)對(duì)效率有更高要求時(shí)，SiC器件會(huì)有更大應(yīng)用空間。他還透露，目前公司已經(jīng)有客戶(hù)在新開(kāi)發(fā)的充電樁模塊上應(yīng)用SiC MOS。

　　充電樁市場(chǎng)成本壓力大， 寄望方案升級(jí)優(yōu)化

　　在GaN導(dǎo)入手機(jī)充電器的初期，由于GaN器件的高頻特性，充電器的方案都與過(guò)往不同，在初期設(shè)計(jì)階段還是通過(guò)上下游的緊密合作才逐步解決方案設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的一些問(wèn)題。同為第三代半導(dǎo)體的SiC，在充電樁中的使用其實(shí)也會(huì)遇到類(lèi)似問(wèn)題。

　　陳銀指出，以目前主流充電樁方案看，要使用SiC MOS器件，方案設(shè)計(jì)變動(dòng)會(huì)比較大，像平臺(tái)電壓、輔助電源、電氣安全、保護(hù)策略、控制方式等都要做相應(yīng)的變動(dòng)。同時(shí)充電樁方案主功率回路頻率非常高，且采用單管多顆并聯(lián)，對(duì)SiC器件的高頻響應(yīng)、動(dòng)態(tài)損耗、門(mén)極可靠性、參數(shù)一致性等都有比較高的要求。

　　顯然，方案設(shè)計(jì)上的變化，帶來(lái)的可能是初期研發(fā)投入增加，導(dǎo)致整體方案成本較高。所以在被問(wèn)到SiC器件在充電樁市場(chǎng)推廣中遇到的難題時(shí)，陳銀表示主要是在目前主流成熟的充電樁模塊方案上使用SiC MOS器件帶來(lái)的性能提升不足以覆蓋掉成本提升的弊端。

　　另外，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)也給SiC大規(guī)模進(jìn)入充電樁帶來(lái)了阻力。“近幾年充電樁市場(chǎng)急劇地增長(zhǎng)，行業(yè)內(nèi)廠商在大幅擴(kuò)大產(chǎn)能利用成熟的產(chǎn)品來(lái)?yè)屨几嗟氖袌?chǎng)份額；同時(shí)作為新能源汽車(chē)行業(yè)，充電樁也有更多的新玩家進(jìn)入該市場(chǎng)領(lǐng)域，市場(chǎng)容量雖越來(lái)越大，但成品價(jià)格一直在持續(xù)走低，目前價(jià)格可能不足以前的三成了，可見(jiàn)行業(yè)成本壓力之大。”

　　楊承晉也持有類(lèi)似的觀點(diǎn)，他表示，SiC功率器件自身特性足以滿(mǎn)足充電樁應(yīng)用的品質(zhì)需求，目前在推廣階段最大的挑戰(zhàn)在于充電樁行業(yè)本身競(jìng)爭(zhēng)較為激烈，當(dāng)企業(yè)的利潤(rùn)率不達(dá)標(biāo)時(shí)，相應(yīng)的對(duì)上游廠商能否提供更好的成本結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品就有了更高的要求，這也是行業(yè)屬性所決定的。因此，囿于碳化硅功率器件的成本現(xiàn)狀，讓SiC的應(yīng)用目前還只局限于一些高端充電樁產(chǎn)品中。作為國(guó)產(chǎn)碳化硅功率器件的供應(yīng)商來(lái)說(shuō)，森國(guó)科總經(jīng)理?xiàng)畛袝x也提出一些降本的看法，一方面是當(dāng)市場(chǎng)需求體量越來(lái)越大時(shí)，通過(guò)規(guī)模效應(yīng)去降低成本；另一方面是針對(duì)供應(yīng)商來(lái)說(shuō)，在器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上創(chuàng)新來(lái)尋求更多改善空間，比如簡(jiǎn)化電路拓?fù)?、縮小體積等。

　　對(duì)于未來(lái)SiC在充電樁上的應(yīng)用，陳銀也表示目前還是展望后續(xù)充電樁模塊產(chǎn)品的升級(jí)和技術(shù)迭代，讓方案對(duì)SiC MOS器件更加友好，其性能優(yōu)勢(shì)更加明顯，整體方案成本可控。

　　新能源帶動(dòng)高壓產(chǎn)品需求，國(guó)內(nèi)廠商加速布局

　　近年來(lái)，新能源領(lǐng)域包括汽車(chē)、光伏等行業(yè)的爆發(fā)，讓功率器件需求激增，IGBT、SiC MOSFET等都在市場(chǎng)上出現(xiàn)過(guò)供應(yīng)緊缺的問(wèn)題，這對(duì)于功率器件廠商而言，也為他們帶來(lái)了業(yè)務(wù)上的一些變化。

　　比如陳銀提到，若干年前公司銷(xiāo)售產(chǎn)品中，中低壓MOS占據(jù)絕對(duì)份額。但經(jīng)過(guò)這幾年光儲(chǔ)充、汽車(chē)行業(yè)的爆發(fā)性增長(zhǎng)，帶動(dòng)了公司高壓產(chǎn)品包括IGBT、超結(jié)MOS、SiC MOS銷(xiāo)售額的快速增長(zhǎng)，使得公司的收入結(jié)構(gòu)配置更加均衡。

　　據(jù)了解，在新能源的需求帶動(dòng)下，森國(guó)科目前主要布局了兩大業(yè)務(wù)，分別是功率器件、功率模塊以及功率驅(qū)動(dòng)芯片，追求全品類(lèi)的功率器件及模塊的供應(yīng)能力。在主營(yíng)的SiC二極管、SiC MOS、碳化硅模塊業(yè)務(wù)上持續(xù)深耕的同時(shí)，森國(guó)科也已經(jīng)布局了超結(jié)MOS、IGBT等市場(chǎng)緊缺的重要產(chǎn)品線 。

　　在SiC二極管方面，去年森國(guó)科快速覆蓋了近100+型號(hào)，并持續(xù)探索創(chuàng)新技術(shù)。目前推出了第五代Thinned MPS（減薄的混合型PN結(jié)勢(shì)壘肖特基二極管）產(chǎn)品，減薄工藝做到全球最薄的110μm，而目前市面上大部分的產(chǎn)品在175μm的水平。對(duì)于SiC二極管來(lái)說(shuō)，晶圓減到越薄，器件性能越好，效率越高，相應(yīng)的散熱也更容易。

　　楊承晉還透露，森國(guó)科今年將會(huì)推出1200V IGBT產(chǎn)品，超結(jié)MOS則從650V開(kāi)始切進(jìn)市場(chǎng)；在SiC MOS方面，森國(guó)科今年的目標(biāo)是將平面型SiC MOS產(chǎn)品系列化，并預(yù)計(jì)最快2025年將推出溝槽型SiC MOS產(chǎn)品。

　　據(jù)陳銀介紹，威兆半導(dǎo)體在充電樁方案中常用的超結(jié)MOS和IGBT都有布局，包括650V20mΩ、650V30mΩ、650V70mΩ等規(guī)格的超結(jié)MOS，性能參數(shù)接近國(guó)外同類(lèi)最新產(chǎn)品，其寄生二極管都具有超快的恢復(fù)特性；器件采用多層外延工藝，具有非常好的可靠性和壽命，適合工業(yè)汽車(chē)領(lǐng)域的應(yīng)用。IGBT規(guī)格有650V40A、650V60A、650V75A，都是高頻產(chǎn)品，采用最新的溝槽柵場(chǎng)截止工藝，具有動(dòng)態(tài)損耗小、飽和壓降低、抗沖擊能力強(qiáng)等特點(diǎn)。

　　對(duì)于SiC器件未來(lái)側(cè)重的應(yīng)用領(lǐng)域，陳銀表示，威兆半導(dǎo)體將重點(diǎn)發(fā)展新能源行業(yè)和工業(yè)電源行業(yè)，比如新能源汽車(chē)、光伏發(fā)電、風(fēng)能發(fā)電、UPS、通信電源等等應(yīng)用。

　　最后，談到國(guó)內(nèi)SiC二極管市場(chǎng)的內(nèi)卷現(xiàn)象，楊承晉認(rèn)為這不是一件壞事，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)與其他行業(yè)一樣，在行業(yè)發(fā)展過(guò)程中都會(huì)經(jīng)歷一輪“內(nèi)卷”，淘汰一部分玩家，而能夠活下來(lái)的，一定是在供應(yīng)鏈、研發(fā)、市場(chǎng)上具備三位一體能力的玩家。

　　編輯：黃飛