比亞迪將成SiC上車新增長(zhǎng)極，SiC到底能用在電動(dòng)汽車哪些地方？
自2021年9月特斯拉官宣在旗下車型Model 3導(dǎo)入SiC功率器件后，SiC越來越多地在新能源汽車中得到應(yīng)用。作為目前全球最大的新能源汽車制造商，比亞迪繼漢、唐、驅(qū)逐艦、海豹等車型后，繼續(xù)加大SiC上車，根據(jù)供應(yīng)鏈消息，比亞迪正加快推進(jìn)SiC上車，期望短期內(nèi)將比重提升至50%以上，同時(shí)，旗下部分晶圓廠也將加快SiC產(chǎn)線建設(shè)。
比亞迪將成SiC上車新增長(zhǎng)極
BYD半導(dǎo)IPO招股書明確指出，相比于硅基材料，SiC開關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗顯著低于同等IGBT模塊；同時(shí)，SiC能夠提供較高的電流密度，相同功率等級(jí)下，SiC模塊的體積顯著小于IGBT；SiC材料的電子飽和漂移速率也是Si的2倍，有助于提升器件的工作頻率；另外，禁帶寬度、熱導(dǎo)率也是Si的3倍。
基于如上性能優(yōu)勢(shì)，SiC器件開關(guān)頻率越高，與IGBT模塊的損耗差越大，SiC模塊在降低損耗的同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)高速開關(guān)，有助于降低電能用量，提高續(xù)航里程，也有利于汽車小型化、輕量化性能的提升，解決新能源汽車痛點(diǎn)。
“特斯拉單位電耗比很多采用IGBT的同類型新能源汽車要低，除了特斯拉自身良好的電控能力，采用的SiC也功不可沒。”業(yè)內(nèi)人士表示。有行業(yè)統(tǒng)計(jì)，2021年熱銷的中型及中大型純電動(dòng)汽車中，Model 3的百公里電耗為12.6kWh，位列榜單第一。
SiC帶來的性能提升顯而易見，刺激國內(nèi)越來越多的主機(jī)廠將IGBT替換成SiC，搭載SiC也成了部分新能源汽車的賣點(diǎn)之一。據(jù)了解，小鵬G9、長(zhǎng)城機(jī)甲龍、蔚來ET5/ET7/ES7、吉利Smart精靈#1、北汽極狐阿爾法S全新HI版、吉利路特斯Eletre、東風(fēng)嵐圖、廣汽埃安Plus 6C等車型均有搭載SiC，另外，理想、一汽、大運(yùn)、零跑等主機(jī)廠也均規(guī)劃有相關(guān)SiC車型。
比亞迪作為目前全球最大的新能源汽車制造商，也在加快SiC上車。其首款SiC車型為漢EV高配版，目前已延展至唐EV、驅(qū)逐艦、海豹等系列車型。近日供應(yīng)鏈消息顯示，比亞迪正加快推進(jìn)SiC上車，期望短期內(nèi)將比重提升至50%以上。
官方數(shù)據(jù)顯示，截至11月，比亞迪2022年新能源汽車?yán)塾?jì)銷量已達(dá)162.83萬輛，預(yù)計(jì)今年超185萬輛，而根據(jù)比亞迪內(nèi)部預(yù)測(cè)，2023年全球銷量要沖擊400萬輛，2025年銷量將達(dá)到600萬輛。隨著新能源汽車銷量的不斷增長(zhǎng)，SiC車型的銷量也隨之快速增加，根據(jù)供應(yīng)鏈消息，比亞迪2022年SiC車型銷量預(yù)計(jì)為10萬輛左右；2023年SiC車型銷量或?qū)⑻嵘?0萬輛，未來重點(diǎn)在于加快SiC在電控中的應(yīng)用。
從裝車量來看，特斯拉仍是SiC上車的引領(lǐng)者，據(jù)了解，Model 3主驅(qū)逆變器電力模塊、Model Y后輪驅(qū)動(dòng)均采用SiC模塊，今年前11個(gè)月，僅上海工廠就交付了65.5萬輛，裝機(jī)量行業(yè)遙遙領(lǐng)先。而接下來，比亞迪有望成為SiC上車的另一增長(zhǎng)極，旗下的漢EV、唐EV、驅(qū)逐艦、海豹、海豚等，都是目前SiC上車的主力車型，未來，高端品牌仰望及更多車型，將成為SiC上車的新力量，SiC也有望從單價(jià)20萬以上的車型下沉到價(jià)格更親民的車型。
SiC上車的機(jī)遇和挑戰(zhàn)
根據(jù)半導(dǎo)體時(shí)代產(chǎn)業(yè)數(shù)據(jù)中心預(yù)計(jì)，SiC晶片在半導(dǎo)體領(lǐng)域的出貨量將從2020年的13萬片增長(zhǎng)到2025年的80萬片，2020-2025年復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)到43.8%，遠(yuǎn)高于全球27.2%的復(fù)合增長(zhǎng)率，中國出貨量占有率預(yù)計(jì)將從全球8.67%上升至16%。
積極地?cái)?shù)據(jù)預(yù)測(cè)下，一方面是供應(yīng)商方面對(duì)產(chǎn)業(yè)前景的充分看好。全球SiC襯底、器件廠商對(duì)市場(chǎng)預(yù)期積極，如Cree預(yù)計(jì)SiC襯底、SiC功率器件2024年市場(chǎng)規(guī)模分別可達(dá)11億、50億美元，2018-2024年復(fù)合增速達(dá)44.47%、51.11%；II-VI（貳陸公司）更是預(yù)計(jì)2030年SiC市場(chǎng)規(guī)模將超300億美元，2020~2030年復(fù)合增速高達(dá)50.60%；此外，羅姆、ST、英飛凌等廠商也對(duì)SiC市場(chǎng)未來增長(zhǎng)持有強(qiáng)烈的信心，凸顯行業(yè)上行趨勢(shì)的強(qiáng)勁。
另一方面，上文也介紹了SiC在需求側(cè)的旺盛需求，電動(dòng)汽車市場(chǎng)將成為引領(lǐng)SiC持續(xù)增長(zhǎng)的“中流砥柱”，帶動(dòng)SiC功率半導(dǎo)體的落地和滲透。據(jù)英飛凌統(tǒng)計(jì)，2020年全球新能源車銷量達(dá)324萬輛，同比增長(zhǎng)43%，其中我國新能源車銷量高達(dá)133.48萬輛，穩(wěn)居全球第一。2020年全球新能源車銷售量實(shí)現(xiàn)了大幅增長(zhǎng)，預(yù)示SiC下游市場(chǎng)需求或?qū)⒂瓉肀l(fā)期，帶來對(duì)功率半導(dǎo)體的需求量大幅擴(kuò)張，SiC功率器件未來或?qū)⒊掷m(xù)替代硅功率器件，迎來持續(xù)的需求增長(zhǎng)期。
從產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)來看，半導(dǎo)體芯片的基本結(jié)構(gòu)都可以按照“襯底-外延-器件”劃分，SiC在半導(dǎo)體芯片中存在的主要形式是作為襯底材料。
其中，SiC晶片是SiC晶體經(jīng)過切割、研磨、拋光、清洗等工序加工形成的單晶薄片。SiC晶片作為半導(dǎo)體襯底材料，經(jīng)過外延生長(zhǎng)、器件制造、封裝測(cè)試等環(huán)節(jié)，可制成SiC二極管、SiC MOSFET等功率器件。
從車用場(chǎng)景看，盡管目前SiC前景向好且受到市場(chǎng)追捧，但在商業(yè)化進(jìn)程中依然存在各類問題。
此外，在產(chǎn)業(yè)層面，從芯片和功率模塊設(shè)計(jì)到整車層面的應(yīng)用驗(yàn)證這一鏈條尚未打通，芯片企業(yè)缺乏整車層面的真正需求分解和反饋，整車企業(yè)缺乏芯片層面的測(cè)評(píng)信息。
全球SiC技術(shù)和產(chǎn)業(yè)距離成熟尚有一定的差距，在一定程度上制約了SiC器件市場(chǎng)擴(kuò)大的步伐。
SiC在EV中的應(yīng)用發(fā)展
SiC器件要比Si器件有著更低的導(dǎo)通損耗、更高的工作頻率和更高的工作電壓等等這些優(yōu)勢(shì)這邊就不再贅述了。
考慮到未來電動(dòng)車需要更長(zhǎng)的行駛里程、更短的充電時(shí)間和更高的電池容量，在車用半導(dǎo)體中，SiC將會(huì)是未來趨勢(shì)，SiC 器件在 EV/HEV 上的應(yīng)用主要包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)逆變器、電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（車載DC/DC）、電動(dòng)汽車車載充電系統(tǒng)（OBC）及非車載充電樁等方面。
電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)作為新能源汽車的“心臟”，直接影響到整車的能源效率、續(xù)航里程等。對(duì)新能源汽車整車使用性能具有較大影響。
電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括“大三電”即驅(qū)動(dòng)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器、變速器和“小三電”即壓配電盒PDU、車載充電機(jī)OBC 和DC/DC 變換器。
在當(dāng)前集成化趨勢(shì)下，電機(jī)+減速器+逆變器集成的“三合一”電驅(qū)動(dòng)模塊將成為市場(chǎng)主流。電驅(qū)動(dòng)集成系統(tǒng)將加速SiC器件在電動(dòng)汽車中的量產(chǎn)落地。
盡管碳化硅器件成本較高，但它推進(jìn)了電池成本的下降和續(xù)航里程的提升，降低了單車成本，無疑是新能源汽車最佳選擇。其中，SiC SBD、SiC MOSFET 器件主要應(yīng)用于OBC 與DC/DC，SiC MOSFET主要用于電驅(qū)動(dòng)。
▍主逆變器
主逆變器也就是牽引逆變器，它的作用就是將來自電池的電能（直流電）進(jìn)行轉(zhuǎn)換以驅(qū)動(dòng)電動(dòng)引擎（交流電）。因此，逆變器的性能及對(duì)應(yīng)體積、重量將直接影響車的續(xù)航范圍和可靠性
目前，電動(dòng)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 器件將加速滲透。
比亞迪、特斯拉等部分車型已經(jīng)使用了碳化硅功率器件的電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器。
特斯拉處在碳化硅器件應(yīng)用的前列，其Model 3車型的驅(qū)動(dòng)電機(jī)部分搭載了24個(gè)650V/100A的SiC MOSFET模塊，車身比Model S減輕了20%。
比亞迪推出的“漢”EV 高性能四驅(qū)版本也配備了SiC MOSFET 功率控制模塊，是中國首個(gè)采用相關(guān)技術(shù)的車型。
蔚來在2021 年發(fā)布的純電轎車中，也將會(huì)采用SiC 模塊作為電驅(qū)動(dòng)平臺(tái)。
▍車載充電機(jī)(OBC)
車載充電機(jī)(OBC)為電動(dòng)汽車(EV)的高壓直流電池組提供了從基礎(chǔ)設(shè)施電網(wǎng)充電的關(guān)鍵功能，并決定了充電功率和效率的關(guān)鍵部件。通過使用車載充電器可將電網(wǎng)中的交流電轉(zhuǎn)換為直流電對(duì)電池進(jìn)行充電。
此外，雙向逆變技術(shù)是未來OBC標(biāo)配的功能之一，使OBC不僅可將AC轉(zhuǎn)化為DC為電池充電，同時(shí)也可將電池的DC轉(zhuǎn)化為AC對(duì)外進(jìn)行功率輸出；將OBC及DC/DC等器件進(jìn)行功能集成化將會(huì)提高成本上、體積上的優(yōu)勢(shì)。
SiC二極管及MOSFET器件則可用于車載充電機(jī)PFC和DC-DC次級(jí)整流環(huán)節(jié)，推動(dòng)車載充電機(jī)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
▍DC/DC轉(zhuǎn)換器
電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)DC/DC 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(shí)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，如動(dòng)力轉(zhuǎn)向、水泵、車燈等。隨著整車智能化、電氣化的發(fā)展，對(duì)DCDC的供電功率及安全性提出了更高的要求。
DC/DC 轉(zhuǎn)換器分為三類：升壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器、降壓型DC/DC 轉(zhuǎn)換器以及升降壓型DC/DC 轉(zhuǎn)換器，車載DC/DC 轉(zhuǎn)換器可將動(dòng)力電池輸出的高壓直流電轉(zhuǎn)換為低壓直流電。
值得一提的是，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(tái)有望為OBC/DCDC帶來新增量。為滿足800v高電壓平臺(tái)在體積、輕量、耐壓、耐高溫等方面帶來的更為嚴(yán)苛的要求：
首先，OBC/DCDC等功率器件集成化趨勢(shì)明顯；
其次，高壓平臺(tái)使車載充電機(jī)升級(jí)需求增加，為高壓OBC提供增量；
再者，為能夠適配使用原有400v直流快充樁，搭載800v電壓平臺(tái)新車須配有額外DCDC轉(zhuǎn)換器進(jìn)行升壓，進(jìn)一步增加對(duì)DCDC的需求。
日前，羅姆官微公布其SiC MOSFET應(yīng)用于美國豪華電動(dòng)汽車制造商Lucid Motors高端純電動(dòng)汽車“Lucid Air”充電控制主板“Wunderbox”。
Wunderbox由DC/DC轉(zhuǎn)換器和車載充電器（OBC）組成，分別采用了羅姆的高性能SiC MOSFET“SCT3040K”和“SCT3080K”。利用SiC MOSFET優(yōu)異的高頻和耐高溫性能，Lucid公司實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的小型化和更低的損耗，從而實(shí)現(xiàn)了更快的充電速度。
