搶占SiC，誰是電動汽車市場的贏家？

在電動汽車市場的激烈競爭中，碳化硅(SiC)器件正成為關(guān)鍵制勝因素。究竟誰能搶占SiC高地，成為這場角逐的最終贏家？

隨著電動汽車行業(yè)的快速發(fā)展，對高性能、高續(xù)航里程要求和高效率的需求不斷增加，SiC器件正在逐漸成為提高車輛性能的關(guān)鍵技術(shù)之一。

據(jù)乘聯(lián)會最新數(shù)據(jù)，1-8月期間，狹義乘用車市場累計零售銷量達(dá)到1346.5萬輛，較去年同期微增1.8%。新能源領(lǐng)域，比亞迪驅(qū)逐艦05、五菱宏光MINIEV及秦PLUS EV等車型躋身前十，五菱繽果則以超10萬輛的銷量位列第12。

在近幾年的車展上，SiC在電動汽車上的應(yīng)用越來越普遍。不管是新勢力的造車廠，還是傳統(tǒng)汽車廠，SiC在電動汽車上的使用率都大為增加。

如在第21屆廣州國際車展上，共有1132輛展車亮相，其中至少包含了15款以SiC為特色的新車型。此次車展上，不僅有下半年將上市的熱門車型如仰望U8、智己LS6、華為問界M9等，還有尚未上市的車型如奧迪Q6 e-tron和仰望U9等也悉數(shù)登場。這些車型價格區(qū)間廣泛，多款售價位于20萬元至30萬元區(qū)間，也有下探至15萬元左右的。

作為第三代半導(dǎo)體，盡管成本較高于傳統(tǒng)硅基器件，但SiC功率器件帶來的性能增益，包括提高能源利用率、減少系統(tǒng)損耗、改善熱管理效能和支持更高的工作電壓，使得越來越多的汽車制造商開始在其產(chǎn)品中引入SiC。

一、SiC 在電動汽車上的三大應(yīng)用

數(shù)據(jù)顯示，SiC功率器件在電動汽車中的滲透率約為一半。預(yù)計在2023年至2035年間，SiC MOSFET的需求將增長10倍，主要得益于其高效率、高耐壓和高溫工作的特性，尤其是較多應(yīng)用于高端電動汽車的車載充電器(OBC)、DC-DC轉(zhuǎn)換器和主驅(qū)逆變器等核心組件中。

(一)電機驅(qū)動系統(tǒng)逆變器

目前，SiC逆變器已占據(jù)BEV市場的28%，并逐漸成為主流。

主逆變器作為牽引逆變器，負(fù)責(zé)將電池的直流電轉(zhuǎn)換為驅(qū)動電動引擎的交流電。其性能及體積、重量直接影響車輛續(xù)航范圍和可靠性。目前，電動車中的主驅(qū)逆變器仍以硅基 MOSFET 和硅基 IGBT為主，但隨著新能源汽車向高集成度、小尺寸、低損耗的系統(tǒng)發(fā)展，SiC器件加速滲透。

羅姆認(rèn)為，由于牽引逆變器處理的功率比OBC和DC-DC更大，而采用SiC分立器件會使逆變器尺寸變大，因此市場上越來越多地使用SiC模塊。

如典型的特斯拉Model 3和比亞迪 “漢”EV高性能四驅(qū)版本等部分車型已經(jīng)使用了碳化硅功率器件的電機驅(qū)動控制器。相比硅基器件，引入碳化硅后，逆變器輸出功率可增至2.5倍，體積縮小1.5倍，功率密度為原有3.6倍。

(二)車載充電機(OBC)

在車載充電機方面，SiC器件能實現(xiàn)更快充電速度和更高效率。

車載充電機為電動汽車的高壓直流電池組提供從基礎(chǔ)設(shè)施電網(wǎng)充電的關(guān)鍵功能，決定充電功率和效率。通過車載充電器可將電網(wǎng)中的交流電轉(zhuǎn)換為直流電對電池進(jìn)行充電。

雙向逆變技術(shù)是未來OBC標(biāo)配功能之一，使 OBC不僅可將AC轉(zhuǎn)化為DC為電池充電，還能將電池的DC轉(zhuǎn)化為AC對外進(jìn)行功率輸出。

SiC二極管及MOSFET器件用于車載充電機PFC和DC-DC次級整流環(huán)節(jié)，推動車載充電機向雙向充放電、集成化、智能化、小型化、輕量化、高效率化等方向發(fā)展。以22kW雙向OBC為例，SiC系統(tǒng)成本與Si相比，減少了15%；同時能量密度是Si系統(tǒng)的1.5倍，通過減少能耗每年可減少單位成本40美元左右。

采用全SiC MOSFET方案的車載充電機，可使功率器件和柵極驅(qū)動數(shù)量減少30%以上，開關(guān)頻率提高一倍以上，實現(xiàn)系統(tǒng)輕量化和整體運行效率提升。

而傳統(tǒng)Si器件由于耐壓和開關(guān)頻率限制，不能滿足日益增長的性能需求。以6.6kW車載充電機為例，SiC肖特基二級管在AC-DC和DC-DC電路中發(fā)揮重要作用，可提高功率因數(shù)，得到寬范圍母線電壓，實現(xiàn)極短反向恢復(fù)時間，降低開關(guān)損耗，提高開關(guān)頻率，對車載充電機減小發(fā)熱量、提高工作電壓、能量密度和效率至關(guān)重要。

(三)DC-DC 轉(zhuǎn)換器

在DC-DC轉(zhuǎn)換器中，SiC器件同樣具有顯著優(yōu)勢。

DC-DC轉(zhuǎn)換器是轉(zhuǎn)變輸入電壓并有效輸出固定電壓的電壓轉(zhuǎn)換器，實現(xiàn)車內(nèi)高壓電池和低壓電瓶之間的功率轉(zhuǎn)換，主要給車內(nèi)低壓用電器供電。隨著整車智能化、電氣化的發(fā)展，對DC-DC的供電功率及安全性提出了更高的要求。

采用SiC功率模塊的DC-DC轉(zhuǎn)換器與傳統(tǒng)IGBT技術(shù)相比，提供更低的開關(guān)損耗。例如在額定功率為500kW的DC-DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計中，變壓器得益于SiC功率模塊的低開關(guān)損耗和高開關(guān)頻率，可以使用鐵氧體制成的磁芯，提供經(jīng)濟高效的解決方案。在輸出為400V/16A的變頻器中，SiC功率器件性能優(yōu)于Si基功率器件，在500kHz時的轉(zhuǎn)換器峰值效率接近98.5%。

基于碳化硅研制的功率器件，為氫能汽車燃料電池DC/DC變換器帶來革命性的創(chuàng)新。此外，800V高壓平臺有望為OBC/DC-DC帶來新增量。為適配原有400V直流快充樁，搭載800V電壓平臺新車須配有額外DC-DC轉(zhuǎn)換器進(jìn)行升壓，進(jìn)一步增加對DC-DC的需求。

當(dāng)然，SiC在充電模塊、壓縮機、變換器和電機驅(qū)動中也有廣泛應(yīng)用。如英飛凌與英飛源合作，為其提供1200V CoolSiC? MOSFET功率半導(dǎo)體器件提升電動汽車充電站效率。SiC技術(shù)可提高壓縮機工作效率和響應(yīng)速度，降低系統(tǒng)損耗和噪音；在變換器中能提升轉(zhuǎn)換效率、減少熱損失和降低成本；在電機驅(qū)動中，采用碳化硅功率器件可提高驅(qū)動系統(tǒng)性能，汽車廠商希望通過應(yīng)用碳化硅功率器件實現(xiàn)驅(qū)動系統(tǒng)小型輕量化，碳化硅器件優(yōu)勢眾多，可將電驅(qū)動控制器體積減小80%以上。

二、SiC 器件普及的難點在哪里？未來前景如何？

目前，SiC器件在在市場上的應(yīng)用并未得到大規(guī)模地普及，尤其是SiC MOSFET。

相比傳統(tǒng)的硅基器件，SiC MOSFET的成本較高主要源于SiC晶圓生長緩慢，制造工藝復(fù)雜以及高硬度SiC材料加工處理更為困難。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)，在碳化硅器件的制造中，最費錢的部分是襯底，占整個成本的47%。

此外，在極端操作條件下的長期可靠性仍需進(jìn)一步驗證。盡管SiC具有優(yōu)良的熱導(dǎo)特性，在高功率密度應(yīng)用中的有效散熱依然是設(shè)計中的一大考量，必須確保有高效的冷卻系統(tǒng)支持，以維持器件的最佳性能和延長使用壽命。

針對上述挑戰(zhàn)，安森美碳化硅技術(shù)專家Jiahao Niu認(rèn)為，隨著8英寸晶圓技術(shù)的成熟和成本的降低，SiC器件的市場主流將從6英寸轉(zhuǎn)向8英寸，而SiC產(chǎn)品的性能也將持續(xù)提升。

安森美通過不斷改進(jìn)SiC MOSFET的結(jié)構(gòu)，減少導(dǎo)通電阻和開關(guān)損耗，提高器件的工作效率和可靠性，以滿足新能源汽車、充電樁、光伏新能源等領(lǐng)域的高要求。在產(chǎn)業(yè)鏈方面，規(guī)?；a(chǎn)將成為SiC產(chǎn)業(yè)鏈的重要發(fā)展方向，并且未來SiC產(chǎn)業(yè)鏈將更加注重垂直整合，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)鏈的優(yōu)化配置，提高整體競爭力。

雖然目前SiC MOSFET面臨成本高、襯底生長緩慢等問題，但很多廠家對其成本的降低都有著很樂觀的預(yù)期。預(yù)計在2035年成本會大幅降低，可以達(dá)到Si器件價格的 1.5 倍左右，屆時 SiC器件將會迎來大規(guī)模的應(yīng)用。

在市場上大部分廠家很難確保完整產(chǎn)業(yè)鏈的8英寸晶圓，在能夠內(nèi)制的企業(yè)有限的情況下，羅姆認(rèn)為能夠內(nèi)制SiC襯底和晶圓這一點是非常有利的。據(jù)了解，羅姆從最初的3英寸到現(xiàn)在已量產(chǎn)的6英寸，積累了非常多SiC晶圓大口徑化的技術(shù)經(jīng)驗，目前在8英寸晶圓的開發(fā)中，取得了比6英寸開發(fā)時更好的結(jié)果。

未來，隨著SiC器件成本的降低、技術(shù)的不斷成熟以及產(chǎn)業(yè)鏈的不斷完善，SiC在電動汽車領(lǐng)域的應(yīng)用前景將更加廣闊。它將為電動汽車帶來更高的性能、更長的續(xù)航里程、更快的充電速度以及更小的體積和重量，推動電動汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。

三、800V高壓平臺之下，SiC器件的發(fā)展空間如何?

隨著800V高壓平臺的興起，高性能的電動汽車只會對更高能效、更小體積和更輕重量系統(tǒng)的需求日益增長。從當(dāng)前的應(yīng)用現(xiàn)狀可以看到，SiC器件在車載充電器(OBC)、DC-DC轉(zhuǎn)換器、主驅(qū)逆變器等關(guān)鍵部件中展現(xiàn)出的增長潛力不言而喻。

安森美針對電動汽車SiC市場加速創(chuàng)新，計劃2030年前推多代新產(chǎn)品。EliteSiC M3e MOSFET降關(guān)斷損耗50%，與智能電源組合可優(yōu)化系統(tǒng)方案并縮短上市時間，不僅能在高開關(guān)頻率和電壓下運行，提供超低導(dǎo)通電阻和抗短路能力，而且采用先進(jìn)封裝可提升主驅(qū)逆變器輸出功率或減少SiC材料。

此外，一系列SiC產(chǎn)品和技術(shù)包括功率模塊和分立器件、高耐壓器件、封裝和散熱技術(shù)、柵極驅(qū)動器解決方案，均可適用于電動汽車部件。安森美追求車規(guī)級SiC零偏移、零缺陷質(zhì)量目標(biāo)，還將推出仿真工具，參與認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)研究，與車企合作推動碳化硅大規(guī)模上車。

據(jù)透露，2024年4月的北京國際車展上，新發(fā)布并使用SiC的800V平臺的車型中，60%設(shè)計采用了安森美的方案。部分采用800V架構(gòu)的國產(chǎn)電動汽車已具備“充電5分鐘，續(xù)航200公里”的超快補能能力，這背后離不開SiC器件在主驅(qū)逆變器中的廣泛應(yīng)用。研究顯示，由IGBT向SiC的切換可使逆變器效率提升2%至5%。

安森美通過SiC MOSFET芯片技術(shù)創(chuàng)新降低成本。平面柵SiC MOSFET迭代至M3e，元胞結(jié)構(gòu)改變且長度縮小65%，結(jié)合晶圓減薄降導(dǎo)通電阻。M3e在平面架構(gòu)上降低導(dǎo)通和開關(guān)損耗，與前代相比，導(dǎo)通損耗降30%、關(guān)斷損耗降50%，具低導(dǎo)通電阻和短路能力。

結(jié)合先進(jìn)封裝技術(shù)，可提升主驅(qū)逆變器輸出功率20%或減少20% SiC用量。目前，M3e已獲眾多頭部客戶認(rèn)可，如與大眾汽車集團簽約。2030年前，安森美將加快推出新EliteSiC產(chǎn)品，從第四代轉(zhuǎn)向溝槽柵SiC MOSFET。

四、半導(dǎo)體廠商未來的發(fā)展機遇與空間

未來，電動汽車上的應(yīng)用無疑是SiC的天下。

特別是在電動汽車大力推行之下，面對續(xù)航問題、充電問題等難點時，SiC器件的性能優(yōu)勢顯得愈發(fā)重要。目前SiC模塊的成本隨著生產(chǎn)工藝和技術(shù)的進(jìn)步，成本優(yōu)勢也在日增。如果電動汽車與人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的深度融合，那么將會有更多的創(chuàng)新應(yīng)用實現(xiàn)落地。

據(jù)預(yù)計，到2030年，電動汽車市場的復(fù)合年增長率將達(dá)到20%，屆時xEV的銷量預(yù)計將達(dá)到64萬輛，是2022年電動汽車銷量估計的四倍。

目前價值約2億美元的SiC器件市場預(yù)計將在2030年達(dá)到11億至14億美元，估計復(fù)合年增長率為 26%。鑒于電動汽車銷量的激增以及SiC對逆變器的適用性，預(yù)計70%的SiC需求將來自電動汽車。

對于半導(dǎo)體廠商而言，這意味著巨大的發(fā)展機遇和廣闊的發(fā)展空間。

目前，生產(chǎn)SiC器件的半導(dǎo)體企業(yè)就包括意法半導(dǎo)體、英飛凌、安森美、羅姆等，這些國外大廠紛紛早已布局，占據(jù)了全球電動汽車SiC市場的絕大部分份額。數(shù)據(jù)顯示，作為全球第一大汽車SiC器件廠家，意法半導(dǎo)體市場占有率超過60%；安森美2023年市場占有率約為24%；羅姆的目標(biāo)是到2025年之后占據(jù)全球SiC份額的30%。

在國內(nèi)，士蘭微、新潔能、揚杰科技、安世半導(dǎo)體等功率器件企業(yè)也已研發(fā)出自有的技術(shù)和產(chǎn)品，并與頭部車企建立深度合作。

安森美(onsemi)視新能源汽車市場為一個充滿活力且極具潛力的領(lǐng)域，不僅在SiC技術(shù)上擁有深厚的積累，還致力于提供從襯底到模塊的端到端解決方案，以滿足不同應(yīng)用場景的需求。

鑒于SiC器件優(yōu)勢，安森美在電動汽車SiC領(lǐng)域有明確市場策略和發(fā)展規(guī)劃。例如，通過垂直整合生產(chǎn)鏈保證質(zhì)量和供應(yīng)鏈穩(wěn)定且領(lǐng)先性能與供應(yīng)能力；計劃產(chǎn)能擴張，推8英寸晶圓提升產(chǎn)量供應(yīng)全球客戶；與汽車制造商戰(zhàn)略合作，提供SiC技術(shù)加強市場地位并帶來技術(shù)共享和市場擴展機會；提供多樣化產(chǎn)品組合滿足不同需求；擁有龐大開發(fā)團隊，緊密聯(lián)系客戶確保技術(shù)符合市場需求，持續(xù)研發(fā)推出新一代產(chǎn)品保持領(lǐng)先；通過全球布局構(gòu)建彈性供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)增強市場適應(yīng)能力。

同樣，英飛凌科技大中華區(qū)汽車電子事業(yè)部高級總監(jiān)仲小龍此前表示，未來三到五年將重點投資下一代更高效、更高電流密度的半導(dǎo)體技術(shù)，包括Si及SiC，以提供更高功率密度、更高集成度、更多更靈活的封裝模式的新產(chǎn)品。值得一提的是，英飛凌采用的先進(jìn)冷切割技術(shù)進(jìn)行原材料的后續(xù)生產(chǎn)，在確保成品率的同時極大地提升原材料的利用率，在節(jié)能增效方面先人一步。

羅姆半導(dǎo)體(上海)有限公司深圳分公司技術(shù)中心高級經(jīng)理蘇勇錦認(rèn)為，如果電池電壓增加，系統(tǒng)需要處理相應(yīng)的大功率轉(zhuǎn)換，但是使用SiC分立器件的系統(tǒng)構(gòu)成方案往往會使逆變器尺寸變大，因此可以使系統(tǒng)更加小型化、更高效率的SiC模塊的采用越來越多。

值得關(guān)注的是，中國是全球電動汽車普及速度最快的市場之一。羅姆非?？春眠@一市場，積極強化支持和合作，目前已與多家中國廠商合作，包括尚未發(fā)布的廠商在內(nèi)，有相當(dāng)數(shù)量的合作正在進(jìn)行。

小結(jié)：

目前電動汽車是SiC器件的主戰(zhàn)場。在整個電動汽車應(yīng)用中，主驅(qū)系統(tǒng)所用到的SiC模塊相對更多，而這一核心部件目前主要由意法半導(dǎo)體、安森美和英飛凌等國外大廠占據(jù)主要份額。對于國內(nèi)半導(dǎo)體廠商而言，在主驅(qū)系統(tǒng)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)國產(chǎn)替代的前景非?？捎^。其次，OBC、DC-DC轉(zhuǎn)換器和充電樁等領(lǐng)域，也有相當(dāng)一部分的替代和占領(lǐng)空間。

盡管相比硅基器件，SiC器件的性能優(yōu)越性和特性都相差一定的距離。隨著SiC器件的成本下降和生產(chǎn)工藝水平的提高，其在電動汽車上的滲透率會越來越高，且逐漸成為應(yīng)用主流?？v觀整個電動汽車市場，誰搶占了SiC器件的創(chuàng)新應(yīng)用，誰就是電動汽車市場的受益者。

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審核編輯 黃宇