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政策扶持、车企配合叠加新架构升级 碳化硅将加速渗透

财联社(上海,记者 邱豪)讯,近期,随着众多车企纷纷宣布推出 800V 高压快充车型,碳化硅的热度再次升温。800V 架构对碳化硅的应用究竟会带来哪些助力?碳化硅器件在新能源汽车中的应用趋势又是怎样的?

1 月 18 日,在财联社蜂网主办的会议上,某半导体协会资深产业分析师对碳化硅领域政策进行了解读,并对行业趋势和未来发展方向进行了专业分析。专家表示,第三代半导体的战略地位显著,是推动新基建和实现 " 双碳 " 目标的关键;伴随新能源汽车对提升充电效率的旺盛需求,以及 800V 电压平台的批量应用,具有高耐压和低损耗特点的碳化硅器件将加速渗透。

政策持续扶持第三代半导体 助力新基建和 " 双碳 " 目标达成

按历史发展进程,半导体衬底材料可为三个代际。第一代半导体材料以硅为代表,因制备工艺成熟、自然界储备量大,目前使用仍最为广泛。而在功率器件领域,传统硅基材料逐渐接近物理极限,以碳化硅为代表的第三代半导体逐渐崭露头角。

随着我国对新型基础建设的布局展开和 " 双碳 " 目标的提出,碳化硅和氮化稼等第三代半导体的作用也愈发凸显。

" 以碳化硅和氮化镓等第三代半导体材料为基础制备的电力电子器件,是新基建的关键性核心器件,如使用半绝缘型碳化硅衬底制作的氮化镓射频器件,是 5G 基站的核心装备之一;而在特高压输电、轨道交通、新能源汽车、大数据中心等领域,碳化硅基的肖特基二极管和 MOSFET,同样发挥重要作用," 专家介绍称," 同时,第三代半导体对于建成可循环、高效、高可靠性的能源网络意义重大,可以助力实现光伏、风电、直流特高压输电、新能源汽车、工业电源、机车牵引、消费电源等领域电能的高效转换,推动能源绿色低碳发展。"

政策方面,国家重点研发计划也在持续支持第三代半导体产业的发展。" 十三五 " 期间,国家重点研发计划项目部署涵盖了电力电子、微波射频和光电子三个大方向,紧贴产业发展实际需求和进程,对新能源汽车应用、电网应用等多个领域发挥了引导作用。在 2020 年科技部发布的年度重点研发计划部署安排中,包括 " 功率碳化硅芯片和器件在移动储能装置中的应用 "," 新一代碳化硅电力电子器件共性技术标准研究 " 等多个立项项目均与第三代半导体相关。

" 随着碳化硅等宽禁带半导体的发展被写入‘十四五’规划和 2035 远景目标纲要,我们预计在‘十四五’规划期间,各个地方政府也会相继出台相关鼓励政策,在教育、科研、开发、融资、应用等各个方面,大力支持发展第三代半导体产业,以实现产业的独立自主。" 该专家表示。

新能源汽车为最佳应用场景 800V 架构将加速碳化硅渗透

目前主要的第三代半导体器件包括应用于射频领域的氮化稼器件、应用于电力电子功率领域的碳化硅器件等,其中又以碳化硅功率器件的未来空间最广。2018 年,随着特斯拉在其 Model 3 车型中对碳化硅器件的成功应用,示范效应迅速放大,使得新能源汽车市场很快成为碳化硅兴起的源泉,相关市场的产值快速崛起。根据第三方市调机构 TrendForce 集邦咨询数据,2020 年碳化硅功率器件的市场规模约为 6.7 亿美元,预计 2025 年将达到 33.9 亿美元,年复合增长率为 38%。

新能源汽车系统架构中涉及的功率半导体组件主要包括电驱动系统、车载充电系统(OBC)、电源转换系统(DC/DC)以及非车载的充电桩。在这些领域,碳化硅器件可以承受更高电压、提升充电速度和电能转换效率,从而增加电动汽车的续航里程。

" 比如在电驱动系统中,传统的方式是采用硅基的 IGBT,而碳化硅器件可以有效降低 10% 的能量损耗,同时减少 80% 的体积,有助于新能源汽车的轻量化和车内的布局。" 专家解释称。

当下,续航里程和充电速度仍是制约新能源汽车普及的较大短板。目前车企的解决方案有两种,一是提升电池容量,另一个是提高充电效率。

" 提升电池容量是能够缓解里程焦虑的,但电池是电动汽车价值量最高的部件,电池容量的提升势必会导致边际成本和整车重量增加,消费者的购车成本及后续使用中的整车功耗会随之增加,因而这个方案并不是非常完美。" 专家表示,对于提升充电效率而言,可以通过提升电流或者电压的方式,但电流提升会导致电气系统发热加剧,从而对电动车散热提出更高要求,所以高压快充成为目前业内的最优解。

2019 年,保时捷在全球首次推出 800V 的高压电气架构,搭载 800V 直流快充系统,支持 350 千瓦大功率快充。2021 年之后,高压快充路线受到了越来越多主机厂的青睐,韩国现代、起亚等国际巨头先后发布了 800V 平台,国内比亚迪、长城、广汽、小鹏、东风等主机厂也相继跟进。

" 目前电动车的电压水平普遍在 200~400V,如果提升到 800V,意味着电动车所有的高压元器件以及管理系统都要提高标准," 该专家表示," 传统硅基的 IGBT 通常适应的高压平台在 600~700V 左右,如果母线电压提升到 800V,对应的功率器件耐压需要提高到 1200V,所以在高压条件下,碳化硅会成为必然选择,而随着各大厂商相继推出 800V 的高压平台,碳化硅的产业化发展势必将得到很大的推动。"

衬底产能仍是制约瓶颈 爆发时点或在 2023-2025 年

上有支持政策,下有旺盛需求,然而整个碳化硅产业的发展目前仍处于起步阶段,那么制约其爆发的瓶颈何在?该专家认为,主要原因在于碳化硅尤其是衬底环节的技术壁垒较高,产能释放有待时间。

" 从成本拆分角度来讲,碳化硅衬底成本约占到器件总成本的 50% 左右,衬底制备对技术要求比较高,行业准入门槛也高。" 上述专家表示,晶体生长速度慢、生长过程难控、材料硬度高等原因,导致目前碳化硅衬底的制备良率和成本,相较于硅仍有不小的差距。

" 以长晶速度为例,目前大部分厂商采用的都是气相传输(PVT)法,一周左右晶体只能生长大约两厘米的厚度,相比来说,硅棒 2~3 天就可以达到两米左右。所以碳化硅的生长速度比较缓慢,时间成本就比较高。" 专家说道。

尽管 Wolfspeed、II-VI 等海外龙头扩产积极,国内也有许多碳化硅项目上马,专家认为,短期内制约第三代半导体快速应用的瓶颈仍将是衬底的产能不足。

" 目前全球碳化硅的产能还远远不够,可能仅够特斯拉一家车企采用。尽管有许多公司在积极扩产,但产能释放还需要一定时间," 该专家表示," 个人预计大规模的爆发可能在 2023 年到 2025 年这个时间段,届时在高压平台领域会有更多玩家进入,碳化硅的产能也相应开出,所以可能会迎来爆发。"

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