從400V轉向800V電池系統(tǒng)的意義解析

在過去兩年中，全球汽車市場見證了對電動汽車的快速需求激增。盡管 COVID-19 大流行嚴重影響了汽車市場，但電動汽車銷量在 2020 年和 2021 年實現(xiàn)了創(chuàng)紀錄的增長。例如，2021 年，全球電動汽車銷量（BEV 和 PHEV）總計約 580 萬輛，同比增長約 79.3%。未來五年市場有望持續(xù)保持兩位數(shù)增長。

這一增長將受到重大財政激勵措施的推動，例如所有地區(qū)政府實施的購買激勵措施和車輛登記稅退稅。此外，世界各國政府的快速脫碳戰(zhàn)略將有助于電動汽車銷量的增長。全球已有 20 多個國家宣布在未來 10-30 年內逐步淘汰傳統(tǒng)的內燃機汽車，全球有 100 多個國家的目標是在未來幾十年內實現(xiàn)凈零排放。

此外，幾家領先的原始設備制造商已經宣布了遠見卓識的計劃，以重新配置其產品線以應對預期的電動汽車熱潮。下面列出了一些最近的 OEM 公告。

沃爾沃的目標是從 2030 年起實現(xiàn) 100% 的電動汽車銷量；福特將從 2030 年起在歐洲實現(xiàn) 100% 的電動汽車銷量；通用汽車將從 2035 年起僅銷售電動輕型汽車 (LDV)；大眾汽車宣布，到 2030 年，歐洲的電動汽車銷量將達到 70%，中國和美國的銷量將達到 50%；Stellantis 宣布，到本十年末，歐洲 70% 的電動汽車銷量和美國 35% 的電動汽車銷量。

從400V轉向800V電池系統(tǒng)，為什么？

2021 年，電動汽車占全球汽車銷量的 9% 以上，是 2019 年的近四倍。由于上述因素，預計未來幾年電動汽車的滲透率將繼續(xù)保持高增長軌跡。

然而，要成為目前占主導地位的內燃機車輛的可行替代品，下一代電動汽車需要更長的續(xù)航里程、更快的充電能力和更高的功率輸出。為了解決這個問題，EV 電池架構需要更高的電壓；因此，從 400V 到 800V 的轉變是不可避免的。

從 400V 轉換到 800V 的好處：

由于高達 350-360kW 的更高充電功率輸出，與 400V 電池系統(tǒng)相比，充電時間減少了 50%。這些車輛有可能在不到 23 分鐘的時間內從 5% 充電到 80%（200 英里范圍）！有了超快的充電速度，就不需要續(xù)航里程達 1000 公里的電池

將電池電壓從 400V 加倍至 800V 可降低充電所需的電流，從而減少過熱并提高功率保持能力。這有助于延長行駛里程和提高性能水平。

截至 2022 年年中，市場上的大多數(shù)電動汽車都使用 400V 電池系統(tǒng)。然而，EV 制造商意識到轉向 800 V 架構可以帶來的技術商業(yè)優(yōu)勢。因此，預計未來幾年將迅速向 800V 系統(tǒng)過渡，到 2027-2030 年，90% 以上的電動汽車可能會配備 800V 電池系統(tǒng)。

目前，800V EV 處于商業(yè)化的早期階段。奧迪、保時捷、現(xiàn)代和起亞等汽車制造商已經在銷售 800V EV 系統(tǒng)，而 LUCID motors 在其車型 Lucid Air 中內置了 900V 電池系統(tǒng)。2019 年推出的保時捷 Taycan 是市場上第一款 800V 電動汽車，充電功率為 270kW，而 Lucid Air 是市場上充電速度最快的電動汽車，充電功率輸出為 350kW?，F(xiàn)代汽車承諾到 2025 年將推出 23 款配備 800V 系統(tǒng)的 EV 車型。

寬禁帶半導體，實現(xiàn)向 800V EV 系統(tǒng)的轉變

硅基 MOSFET 和 IGBT 是電動汽車行業(yè)中占主導地位的功率半導體器件技術。然而，硅基功率半導體已達到 400V EV 的理論性能極限。因此，隨著移動行業(yè)向 800V 電池架構過渡，需要更新的材料，如寬帶隙 ( WBG )) 提供更好電氣和熱性能的半導體優(yōu)于硅基半導體。碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN) 是兩種 WBG 半導體材料，在電動汽車中獲得最大牽引力，適用于牽引逆變器、車載充電器和 DC-DC 轉換器等應用。具體而言，SiC 繼續(xù)吸引所有主要電動汽車制造商的更多興趣，并被認為是電動汽車中 800V 電池系統(tǒng)的必然選擇。所有主要的汽車原始設備制造商都致力于在當前和未來的產品中開發(fā) 800V EV 系統(tǒng)。

1、牽引逆變器中的 SiC，支持 800V EV 的關鍵應用

牽引逆變器是最關鍵的電動汽車系統(tǒng)之一，負責車輛的整體性能。牽引逆變器在電動汽車中的關鍵作用是：

a、將電池的直流電轉換為牽引電機的交流電

b、將交流電轉換回直流電以進行再生制動

c、根據(jù)駕駛員輸入的加速器控制 EV 電機速度。

重點正在轉向開發(fā)具有 SiC 模塊的 800V 牽引逆變器。幾家汽車一級供應商一直在展示他們的 800V 逆變器能力。Delphi Technologies（現(xiàn)已被 BorgWarner 收購）是業(yè)內第一家使用 Wolfspeed 的 SiC MOSFET 量產 800V SiC 逆變器的公司。McLaren Applied 在 2022 年初展示了其基于 800V SiC 的牽引逆變器（逆變器平臺第 5 代）。Vitesco 與一家北美主要汽車制造商（福特或 Stellantis）簽署了一項價值近 10.8 億美元的交易，從2025 年。同樣，Marelli 在 2022 年年中推出了 800V-SiC 牽引逆變器平臺。同樣，博格華納正在為一家德國 EV OEM 開發(fā)基于 SiC 的逆變器。

2、SiC，在電動汽車牽引逆變器的半導體競賽中領先

在支持 800V 的牽引逆變器中使用 SiC MOSFET 可實現(xiàn)速度更快、效率更高且重量更輕的 EV 動力傳動系統(tǒng)。與 Si 相比，SiC 產生的熱量更少，對溫度的敏感性更低，并且能夠實現(xiàn)更高效的電源開關。更少的熱量釋放導致更輕的冷卻系統(tǒng)，從而使逆變器的重量更輕且占地面積更小。SiC 中較高的帶隙導致高溫下的漏電流較低，而高臨界場電壓顯著降低導通電阻，從而實現(xiàn)更小/更薄的器件。這降低了開關損耗，提高了載流能力，并實現(xiàn)了更快的開關。導熱性是 SiC 脫穎而出的另一個關鍵方面。SiC 模塊可以處理高達 200 ?的結溫C 與 Si 相比，Si 可以承受高達 80 ° C 的溫度。另一種著名的 WBG 半導體 GaN 在 800V EV 應用中處于非常小眾的開發(fā)和應用階段。

圖 1 顯示了 Si、SiC 和 GaN 材料特性的比較。

用于 800V EV 應用的 GaN，引領技術進步

GaN 的帶隙、臨界電場和飽和速度幾乎與 SiC 相當，甚至更好。然而，其低導熱性對應用于 EV 牽引逆變器等高功率和溫度應用提出了挑戰(zhàn)。對于 GaN，650V 模塊是在 400V EV 系統(tǒng)中找到應用的最佳選擇，而 400V EV 系統(tǒng)幾乎由成熟的硅基芯片主導。然而，當電壓增加到 800V 時，GaN 由于其較低的熱導率而失去效率。該行業(yè)正在致力于開發(fā)垂直/3D GaN 結構以支持高功率 EV 應用。

如前所述，用于 EV 中 800V 系統(tǒng)的 GaN 技術仍處于早期商業(yè)化階段。當前的 GaN 器件與其他功率器件（基于 Si 和 SiC）的主要區(qū)別之一是前者主要使用橫向器件結構來導電（Si 上的 GaN、SiC 上的 GaN 或藍寶石上的 GaN），而后者（Si 和 SiC）器件垂直傳導。因此，為了通過橫向 GaN 獲得更高的電壓，芯片尺寸需要變大，從縮放的角度來看這是不可行的。

一些行業(yè)創(chuàng)新者正致力于通過垂直 GaN 結構和橫向結構中的高級封裝技術等進步來提高 GaN 器件的效率，以使 GaN FET 可用于 800V EV 應用。例如，Odyssey Semiconductor 最近展示了其 1200V 垂直（GaN on GaN）器件，工程樣品預計將在 2023 年由幾家汽車 OEM 進行測試。垂直 GaN 結構以盡可能小的尺寸帶來 GaN 的高開關效率優(yōu)勢芯片尺寸與目前僅由 Si 和 SiC 解決的電壓和功率水平相關。同樣，NexGen Power Systems 最近測試了其具有商業(yè)可行性的 1200V 垂直 GaN Fin-JFET，在其中，直接使用了VisIC的D3GaN (direct drive d-mode)技術 。2022 年初，Transphorm 展示了其 1200V 橫向 GaN 功率晶體管，預計將于 2023 年提供樣品。此類技術發(fā)展和熱議凸顯了 GaN 作為電動汽車應用市場顛覆者的潛力。

400V 架構的電動汽車也要轉向寬禁帶

由于明顯的原因，轉向 800V EV 是不可避免的，但同樣重要的是要注意 400V 系統(tǒng)不會被淘汰。預計 400V EV 將用于對成本敏感的市場。此外，由于全球各國制定了新的效率目標，即使是 400V 電池系統(tǒng)的電動汽車也可能在短期內跟隨特斯拉的腳步（其 400V 特斯拉 Model 3 中的 SiC 模塊）過渡到 SiC。例如，中國在 2020 年發(fā)布了 2021 年至 2023 年的汽車銷量目標，其中將某些電動汽車的最大可接受能耗從約 23kW/100kms 降低至約 18kW/100kms。SiC 由于其耐熱性、低導通電阻和比 Si 更快的開關速度，每千瓦時的行駛里程增加了近 5-10%。因此，ROHM Semiconductor 和 STMicroelectronics 等公司也為 400V EV 提供 SiC 解決方案。

隨著 SiC 成為電動汽車的重要趨勢，芯片制造商迫切需要進行更好的規(guī)劃，以確保最佳產能和穩(wěn)健的供應鏈，以應對即將到來的電動汽車 SiC 激增。從平面結構到溝槽結構的轉變，從6英寸到8英寸晶圓的轉移，以及產能擴張舉措將帶來成本和性能優(yōu)勢。此外，為了改善 SiC 晶圓缺陷問題并實現(xiàn) SiC 供應鏈的自給自足，行業(yè)正在見證半導體公司收購供應方公司的垂直整合趨勢。此外，汽車原始設備制造商正在冒險設計和制造自己的牽引逆變器，從而與芯片制造商建立直接關系，這在傳統(tǒng)行業(yè)中并不常見。

結論

隨著電動汽車行業(yè)從 400V 電池系統(tǒng)轉向 800V 電池系統(tǒng)，轉向 WBG 半導體似乎是不可避免的。由于其技術規(guī)格，SiC 目前是汽車制造商的完美選擇。GaN 是一種相對較新的利基技術，由于其低導熱性和橫向結構，目前在 EV 電源應用中的應用受到限制。然而，垂直 GaN 結構和先進封裝等技術進步有望為 800V EV 牽引逆變器中的 GaN 提供重要的市場機會。

短期內，由于全球各國制定了嚴格的排放和效率標準，高端 400V EV 也可能采用基于 WBG 的牽引逆變器。從長遠來看，主要在成本敏感市場中的入門級和中級 400V EV 最終將過渡到 SiC 和 GaN 技術。

該行業(yè)正在見證傳統(tǒng)供應關系的徹底變革。汽車原始設備制造商和一級供應商正在尋求通過與芯片制造商的戰(zhàn)略合作和直接關系來確保其組件和芯片供應。

此外，汽車制造商正在轉向內部設計牽引逆變器，而不是依賴一級供應商。此外，芯片制造商通過收購供應方公司進行垂直整合，以更好地控制供應質量和產品開發(fā)。電動汽車從 400V 電池系統(tǒng)過渡到 800V 電池系統(tǒng)的預期速度是業(yè)界前所未有的，而半導體領域在實現(xiàn)這一過程中起著至關重要的作用。

隨著硅不再能夠滿足電動汽車的性能需求，對 WBG 半導體的競爭是全力以赴。器件技術，無論是 Si、SiC 還是 GaN，都將找到維持市場轉型的方法，并將共存，沒有任何技術可以完全取代另一種技術。還有待觀察的是，誰吃掉了對方的多少份餡餅！

備注：本文中的觀點和發(fā)現(xiàn)是 Frost & Sullivan 內部半導體實踐在全球電動汽車半導體增長機會（研究代碼：K725）及其其他基于半導體的研究中提出的廣泛研究的結果。作者Navdeep Saboo，F(xiàn)rost & Sullivan 行業(yè)分析師。

編輯：黃飛