10月份，美國(guó)《華爾街日?qǐng)?bào)》報(bào)道，全球汽車(chē)行業(yè)正把數(shù)以十億美元計(jì)的資金投向以碳化硅（SiC）材料制成的芯片。

比如通用汽車(chē)公司，其副總裁希爾潘·阿明就表示：“電動(dòng)汽車(chē)用戶(hù)正追求更長(zhǎng)的續(xù)航里程，我們把碳化硅視為電力電子設(shè)計(jì)中的一種重要材料?！?/p>

在說(shuō)這話之前，通用汽車(chē)已經(jīng)與總部位于達(dá)勒姆（北卡羅來(lái)納州）的沃爾夫斯皮德公司達(dá)成了一項(xiàng)協(xié)議，將使用后者生產(chǎn)的碳化硅器件。

而相輔相成的是，碳化硅的崛起，跟汽車(chē)行業(yè)正在推進(jìn)的800V高壓平臺(tái)系統(tǒng)算是“絕配”。在800V高壓平臺(tái)趨近的趨勢(shì)下，行業(yè)預(yù)計(jì)，未來(lái)幾年SiC功率元器件將隨著800V平臺(tái)的大規(guī)模上車(chē)進(jìn)入快速爆發(fā)階段。

為什么這么說(shuō)？因?yàn)?，?00V甚至更高水平的平臺(tái)上，原本的硅基IGBT芯片達(dá)到了材料極限，碳化硅則具備耐高壓、耐高溫、高頻等優(yōu)勢(shì)，無(wú)疑是IGBT最佳的替代方案。

作為今年熱炒的第三代功率半導(dǎo)體材料，碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）應(yīng)用在更高階的高壓功率元器件以及高頻通訊元器件領(lǐng)域，代表5G時(shí)代的主要材料。特別是碳化硅，可謂集“萬(wàn)千寵愛(ài)于一身”。

當(dāng)然，碳化硅面臨的一大挑戰(zhàn)是它高企的價(jià)格。而如何確保以碳化硅芯片實(shí)現(xiàn)的成本節(jié)約效益，蓋過(guò)碳化硅芯片較高生產(chǎn)成本這一不利因素，就成為當(dāng)下最重要的任務(wù)。

俗話說(shuō)，榜樣的力量是無(wú)窮的，就像特斯拉所做的那樣——特斯拉數(shù)年來(lái)在功率控制芯片中使用碳化硅，效果是能量損失減少，造就更強(qiáng)大的發(fā)動(dòng)機(jī)，提升續(xù)航里程，從TCO（總體擁有成本）的角度來(lái)講，單車(chē)成本反而下降了不少。

實(shí)際上，當(dāng)下SiC+800V大熱，說(shuō)不清是碳化硅成就了800V，還是800V成就了碳化硅，我們能確定的是，接下來(lái)，碳化硅替代IGBT正在成為主流。

碳化硅的優(yōu)勢(shì)

從價(jià)格方面來(lái)說(shuō)，目前國(guó)際上SiC價(jià)格是對(duì)應(yīng)硅基產(chǎn)品的5~6倍，并以每年10%的速度下降。據(jù)預(yù)測(cè)，隨著未來(lái)2~3年市場(chǎng)供應(yīng)加大，預(yù)計(jì)價(jià)格達(dá)到對(duì)應(yīng)硅基產(chǎn)品的2~3倍時(shí)，由系統(tǒng)成本減少和性能提升帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)，將推動(dòng)SiC逐步替代硅基IGBT等產(chǎn)品。

按照《華爾街日?qǐng)?bào)》的報(bào)道，“研究者估計(jì)，根據(jù)電動(dòng)車(chē)種類(lèi)的不同，碳化硅相關(guān)技術(shù)可以幫助一輛車(chē)最終節(jié)約出750美元的電池成本。”也有人測(cè)算，最終使用SiC合計(jì)大約會(huì)產(chǎn)生約2000元左右的成本降低。不過(guò)，碳化硅材料的成本要接近硅基材料，估計(jì)還要等幾年。

而碳化硅價(jià)格高的原因很簡(jiǎn)單，因?yàn)殡y造。碳化硅為什么那么難造？可以這么說(shuō)，鉆石有多硬，它就有多硬。所以，碳化硅的制造成本在短期內(nèi)依然高企。

但是，碳化硅的優(yōu)勢(shì)卻是非常明確的。比如，體積縮小是其一，豐田的碳化硅元器件體積就要比硅基的縮小80%。此外，據(jù)相關(guān)分析數(shù)據(jù)，續(xù)航方面，與使用硅基芯片的電動(dòng)汽車(chē)相比，搭載SiC芯片的電動(dòng)汽車(chē)行駛距離平均延長(zhǎng)6%。

舉個(gè)國(guó)內(nèi)的例子，想比亞迪漢EV的SiC模塊同功率情況下體積較硅IGBT縮小一半以上，功率密度提升一倍。而且，根據(jù)比亞迪公司計(jì)劃，到2023年比亞迪旗下所有電動(dòng)車(chē)會(huì)用SiC功率半導(dǎo)體全面替代IGBT。碳化硅的趨勢(shì)真是勢(shì)不可擋啊。

不過(guò)，若論及碳化硅的大規(guī)模應(yīng)用，則始于特斯拉。

2018年，特斯拉在Model 3中首次將IGBT模塊換成了碳化硅模塊。使用下來(lái)，在相同功率等級(jí)下，碳化硅模塊的封裝尺寸明顯小于硅模塊，并且開(kāi)關(guān)損耗降低了75%。而且，換算下來(lái)，采用SiC模塊替代IGBT模塊，其系統(tǒng)效率可以提高5%左右。

當(dāng)然，從成本來(lái)講，這樣并不劃算。因?yàn)槟孀兤鞯墓β势骷蒊GBT替換成碳化硅之后，采購(gòu)成本上升將近1500元。但是，因?yàn)檎?chē)效率的提升，導(dǎo)致電池裝機(jī)量的下降，從電池端把成本又省回來(lái)了。

從發(fā)展歷史來(lái)說(shuō)，全球首款碳化硅功率半導(dǎo)體SiC MOSFET的推出，是在2011年。而在這之前，美國(guó)科銳（Cree）公司經(jīng)過(guò)了將近二十年的研發(fā)，可謂“難產(chǎn)”。十年之后，SiC才終于迎來(lái)“爆發(fā)元年”。

而Cree首席執(zhí)行官Gregg Lowe還確認(rèn)，公司有望在2022年初建成世界上最大的碳化硅工廠，使其能夠充分利用未來(lái)幾十年的增長(zhǎng)機(jī)遇。

8英寸時(shí)代到來(lái)前，供需失衡

從生產(chǎn)工藝來(lái)講，碳化硅目前的主要生產(chǎn)尺寸是6英寸，也就是150mm。不過(guò)行業(yè)進(jìn)步還是很快的，8月11日，意法半導(dǎo)體（ST）宣布，其瑞典N(xiāo)orrk?ping工廠制造出首批8英寸碳化硅晶圓。

據(jù)悉，ST首批8英寸SiC晶圓品質(zhì)十分優(yōu)良，芯片良品率和晶體位元錯(cuò)誤之缺陷非常低。低缺陷率歸功于ST在SiC硅錠生長(zhǎng)技術(shù)深厚積累的研發(fā)技術(shù)。此外，ST正與供應(yīng)鏈上下游技術(shù)廠商合作研發(fā)專(zhuān)屬的制造設(shè)備和生產(chǎn)制程。

ST汽車(chē)和離散元件產(chǎn)品部總裁Marco Monti表示，汽車(chē)和工業(yè)市場(chǎng)正在加速推動(dòng)系統(tǒng)和產(chǎn)品電氣化的進(jìn)程，升級(jí)到8吋SiC晶圓將為ST的汽車(chē)和工業(yè)客戶(hù)帶來(lái)巨大優(yōu)勢(shì)。

而從6吋到8吋，這也代表著提升功率電子芯片的輕量化和能效方面又邁進(jìn)了一步。只是，雖說(shuō)現(xiàn)在8英寸（200mm）的產(chǎn)線已經(jīng)有量產(chǎn)，但是要全面進(jìn)入8英寸時(shí)代，還需要點(diǎn)時(shí)間。

然而一個(gè)現(xiàn)實(shí)情況是，目前碳化硅功率元器件市場(chǎng)需求的突然爆發(fā)，進(jìn)一步造成了碳化硅供應(yīng)鏈的全球性短缺。

以目前的狀況，一片碳化硅晶圓也就裝備兩輛電動(dòng)汽車(chē)。也就是說(shuō)，以目前全球碳化硅晶圓60萬(wàn)片的年產(chǎn)能，最多也就能夠滿足120萬(wàn)輛電動(dòng)汽車(chē)的需求。這還沒(méi)算充電樁等應(yīng)用。而根據(jù)TrendForce集邦咨詢(xún)研究顯示,預(yù)計(jì)2025年全球?qū)?英寸SiC晶圓需求可達(dá)169萬(wàn)片。

再看特斯拉。2020年，特斯拉全球交付了將近50萬(wàn)輛電動(dòng)汽車(chē)；今年上半年的交付量已經(jīng)達(dá)到了38.6萬(wàn)輛，時(shí)近年底，預(yù)計(jì)全年的交付量至少是75萬(wàn)輛。也就是說(shuō)，目前全球碳化硅晶圓的產(chǎn)能，滿足了特斯拉之后，剩下不了多少。

那么，全球碳化硅晶圓方面，主要都有哪些玩家呢？按照2020上半年出貨量計(jì)算，科銳CREE占據(jù)了全球45%的市場(chǎng)份額，日本羅姆的子公司SiCrystal占據(jù)20%，II-VI占13%；中國(guó)企業(yè)的市場(chǎng)份額還比較低，其中天科合達(dá)占到5.3%，山東天岳則為2.6%。

從碳化硅的產(chǎn)業(yè)鏈整體來(lái)看，主要的SiC襯底、EPI外延片、器件、模組等環(huán)節(jié)，目前全球碳化硅市場(chǎng)基本被國(guó)外壟斷。根據(jù)Yole數(shù)據(jù)顯示，Cree、英飛凌、羅姆約占據(jù)了90％的SiC市場(chǎng)份額。

這里普及一下，SiC器件的制造成本中，有兩大工序是其重要組成部分。其中，SiC襯底成本約占總成本的47%，SiC外延的成本占比23%。而SiC襯底制備受限于SiC晶體生長(zhǎng)速度慢、過(guò)程難以調(diào)控、生長(zhǎng)多型多、切割難度大等多種問(wèn)題，全球產(chǎn)能一直處于較低水平。

襯底方面，國(guó)際主流已經(jīng)從4英寸向6英寸過(guò)渡，而作為襯底主要供應(yīng)商的科銳Cree已經(jīng)開(kāi)發(fā)出8英寸襯底。國(guó)內(nèi)方面，襯底主要供應(yīng)商有天科合達(dá)、山東天岳、同光晶體等能夠供應(yīng)3~6英寸的單晶襯底。技術(shù)水平上， 國(guó)內(nèi)SiC以4英寸為主，6英寸襯底還有待突破。

外延片方面，國(guó)內(nèi)廈門(mén)瀚天天成、東莞天域、世紀(jì)金光已能提供4英寸/6英寸SiC外延片。目前，6英寸碳化硅外延片可以實(shí)現(xiàn)本土供應(yīng)。當(dāng)然，從整體情況來(lái)說(shuō)，供需失衡的情況還會(huì)是未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)的主流。

800V“元年”

實(shí)際上，碳化硅+800V正在聯(lián)袂而來(lái)。我們也可以說(shuō)，如果2021年是碳化硅“元年”，那么，2022年將成為800V的“元年”。

這次的廣州車(chē)展上，我們看到了800V正在成為趨勢(shì)。像比亞迪e平臺(tái)3.0、東風(fēng)嵐圖、吉利SEA浩瀚架構(gòu)、現(xiàn)代E-GMP、奔馳EVA、通用奧特能平臺(tái)等都選擇800V高壓平臺(tái)，這不是偶然。 

從量產(chǎn)時(shí)間來(lái)看，各大車(chē)企基于800V系統(tǒng)的新車(chē)將于明后年陸續(xù)上市，雖然真正800V的產(chǎn)品大年預(yù)計(jì)要到2024年左右。

具體而言，小鵬汽車(chē)在廣州車(chē)展上首次亮相的全新SUV小鵬G9，就首次采用800V高壓SiC平臺(tái)。據(jù)悉，小鵬汽車(chē)還將鋪設(shè)中國(guó)首批量產(chǎn)的480kW高壓超充樁，以實(shí)現(xiàn)充電5分鐘可跑200公里的目標(biāo)。

同樣，長(zhǎng)城的沙龍汽車(chē)首款車(chē)型機(jī)甲龍，也支持800V超級(jí)快充，峰值電流高達(dá)600A，充電10分鐘，即可實(shí)現(xiàn)CLTC續(xù)航401公里。還有零跑，其800V平臺(tái)將在2024年第四季度量產(chǎn)。廣汽也發(fā)布了萬(wàn)城萬(wàn)充為其開(kāi)發(fā)的480kW高壓充電樁。

而根據(jù)相關(guān)預(yù)測(cè)，2023~2025年國(guó)內(nèi)800V產(chǎn)業(yè)復(fù)合增速有望超過(guò)70%，而2025~2030年進(jìn)入穩(wěn)步增長(zhǎng)階段，復(fù)合增速約為20%。

那么，為什么800V架構(gòu)會(huì)成為主流呢？還是因?yàn)椋?00V架構(gòu)下解決了兩大需求痛點(diǎn)，一是讓充電性能大幅提升，二是提高了整車(chē)運(yùn)行效率。

在800V平臺(tái)下，可以使用較細(xì)的充電導(dǎo)線。我們知道，相同充電功率下，電壓高則電流就可以低，電流低導(dǎo)線就不用那么粗，導(dǎo)線的電阻熱能耗也就降低。而如果還使用原來(lái)400V所用的充電導(dǎo)線尺寸，則可以提升充電功率。

當(dāng)然，在800V高壓充電下，電池本身的串并聯(lián)組態(tài)也必須要重新調(diào)整，也就是電池包的電壓也要相對(duì)提升到800V，否則會(huì)因?yàn)楦叱潆婋娏鞫鵁龤?。此外，像電?qū)動(dòng)、電力電子裝置、充電系統(tǒng)等也都需要采用800V的系統(tǒng)。

而整車(chē)運(yùn)行效率更高是指，電流不變時(shí)，電池電壓越高電機(jī)的功率越大，電機(jī)驅(qū)動(dòng)的效率也越高。所以，800V高壓平臺(tái)容易實(shí)現(xiàn)高功率和大扭矩，以及更好的加速性能。

不過(guò)，雖然SiC+800V技術(shù)的發(fā)展，為新能源汽車(chē)及未來(lái)出行描繪出了一個(gè)美好的未來(lái)，但在落地層面，還是具備一定的難度。對(duì)于很多車(chē)企來(lái)說(shuō)，在沒(méi)有基礎(chǔ)設(shè)施配套的前提下，車(chē)展上推出一款800V產(chǎn)品，更多是概念的呼喚，隨后仍將面對(duì)實(shí)際問(wèn)題。

所以，雖然說(shuō)“技術(shù)點(diǎn)亮生活”，但800V平臺(tái)除了研發(fā)落地，也意味著電動(dòng)車(chē)諸多零部件需要重新開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，以及高壓充電網(wǎng)絡(luò)從無(wú)到有的布局建設(shè)，距離產(chǎn)品的真正普及還有很長(zhǎng)一段距離要走。理想很豐滿，但是現(xiàn)實(shí)方面，還是需要耐心等待的。

｜王小西｜

比天空更遼闊的……