電動(dòng)汽車?yán)霉β拾雽?dǎo)體器件市場(chǎng)，SiC即將爆發(fā)！

文︱立厷

圖︱網(wǎng)絡(luò)

到2026年，嚴(yán)格的二氧化碳排放目標(biāo)將使所有乘用車中電動(dòng)汽車／混合動(dòng)力汽車（EV／HEV）份額達(dá)到38％，這意味著各種半導(dǎo)體技術(shù)和功率器件將獲得56億美元的市場(chǎng)機(jī)會(huì)。這是市場(chǎng)研究公司Yole Dedevelopment在《2021年電動(dòng)汽車功率電子技術(shù)》中的判斷。

有這么多種電動(dòng)汽車

不管是EV還是HEV，都是電動(dòng)汽車，或稱之為xEV，其具體分類如下：

輕度混合動(dòng)力電動(dòng)汽車（MHEV）：使用內(nèi)燃機(jī)（或熱電機(jī)）和電動(dòng)機(jī)的車輛，通常使用功率為10－20kW的輔助ICE電機(jī)，包括配備低壓蓄電池的48V（輕度混合動(dòng)力）車輛。

全混合動(dòng)力電動(dòng)汽車（全HEV、強(qiáng)HEV）：使用內(nèi)燃機(jī)和電動(dòng)機(jī)的車輛，電機(jī)由高壓電池供電，能夠?yàn)殡姍C(jī)提供高功率，功率范圍在70－170kW，不能從電網(wǎng)給電池充電。其電池能量容量相對(duì)較低（約2－5kWh），因此在e模式下行駛里程有限（幾公里）；

插電式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車（PHEV）：使用內(nèi)燃機(jī)和電動(dòng)機(jī)（像全混）的車輛，PHEV的電池可以從電網(wǎng)充電，因此包含車載充電器和充電插頭。電池容量大于全HEV，通常約為9kWh。如果使用雙向充電器，汽車可作為V2G（車輛到電網(wǎng)）和V2H（車輛到住宅）應(yīng)用的電源。

增程式電動(dòng)汽車（EREV）：是使用包括一個(gè)稱為“里程擴(kuò)展器”的輔助動(dòng)力裝置（APU）的電池電動(dòng)汽車。這種小型發(fā)電機(jī)通常是內(nèi)燃機(jī)（ICE），但也可以使用燃料電池。該發(fā)電機(jī)為蓄電池充電，蓄電池為車輛的電動(dòng)機(jī)供電。這種布置稱為串聯(lián)混合動(dòng)力傳動(dòng)系。里程擴(kuò)展器不適于日常使用，只適用于駕駛員需要延長(zhǎng)車輛行駛里程以到達(dá)下一個(gè)充電站的情況。

電池電動(dòng)汽車（全電動(dòng)汽車，BEV）：只有電機(jī)（無(wú)ICE電機(jī)），使用高功率、高能量容量電池（通常為30－100kWh），可從電網(wǎng)充電。如果使用雙向充電器，汽車可作為V2G和V2H應(yīng)用的電源。

燃料電池電動(dòng)汽車（FCEV，F(xiàn)CV或氫動(dòng)力汽車）：僅有電機(jī)（無(wú)ICE電機(jī)），通常被稱為氫動(dòng)力汽車，實(shí)際上它是一種電動(dòng)汽車，通過(guò)燃料電池堆從氫中產(chǎn)生電力。FCEV包含電池（或超級(jí)電容器組），以實(shí)現(xiàn)某些功能，如制動(dòng)能量回收等。其電池為高壓電池，通常具有低能量容量（幾kWh）。一些FCEV使用更大的電池（約10kWh，可從電網(wǎng)充電，類似于PHEV，以實(shí)現(xiàn)更清潔的駕駛（假設(shè)充電用電由清潔可再生能源產(chǎn)生，如光伏或風(fēng)能）。FCEV汽車中的雙向充電器可作為V2G和V2H應(yīng)用的電源。

新能源汽車（NEV）：中國(guó)政府使用的術(shù)語(yǔ)，包括PHEV、BEV和FCEV等。新能源汽車的提法可以使國(guó)家出臺(tái)的政策有更好的持續(xù)性，涵蓋更多的技術(shù)迭代，有助于實(shí)現(xiàn)平滑的過(guò)渡。通過(guò)階段性調(diào)整、退出機(jī)制，不斷鼓勵(lì)企業(yè)嘗試新的技術(shù)。在傳統(tǒng)汽車上，中國(guó)和國(guó)外的差距太大，尤其是發(fā)動(dòng)機(jī)等，涉及的技術(shù)壁壘很高。搞新的東西，跟國(guó)外的差距不大，才能避免將來(lái)被國(guó)外技術(shù)淘汰。

近年來(lái)，xEV市場(chǎng)發(fā)展很快，得益于各國(guó)政府承諾2050年將實(shí)現(xiàn)碳中和。采用電動(dòng)汽車是減少二氧化碳排放的關(guān)鍵，主機(jī)廠、Tier 1和功率半導(dǎo)體廠商將伴隨電動(dòng)汽車的增長(zhǎng)而演變。

在xEV應(yīng)用中，系統(tǒng)層面涉及主逆變器和發(fā)電機(jī)、升壓轉(zhuǎn)換器、DC－DC轉(zhuǎn)換器、車載充電器；器件封裝類型包括分立式、電源模塊；功率器件種類有硅MOSFET、硅IGBT、硅BJT（雙極晶體管）、碳化硅（SiC）MOSFET和氮化鎵（GaN）HEMT等。

BEV引領(lǐng)高壓技術(shù)

隨著嚴(yán)格的二氧化碳減排及各國(guó)的碳中和目標(biāo)，汽車工業(yè)朝著汽車電氣化邁出了一大步。雖然每個(gè)主機(jī)廠的電氣化戰(zhàn)略各不相同，特別是在不同地區(qū)，但他們有一個(gè)共同的目標(biāo)，即增加BEV在其車隊(duì)中的份額。混合電氣化仍然是未來(lái)10－15年的一個(gè)選擇，盡管它不符合長(zhǎng)期碳中和目標(biāo)。

雖然有新冠疫情的影響，全球電氣化推動(dòng)的BEV技術(shù)仍在加速，牽引逆變器、DC－DC、OBC（車載充電器）等不同轉(zhuǎn)換器中的功率電子器件持續(xù)增加，EV／HEV系統(tǒng)在向48V過(guò)渡，電池趨勢(shì)也從400V向800V轉(zhuǎn)變。

電氣化選擇與轉(zhuǎn)換器功率或電池容量的技術(shù)架構(gòu)選擇直接相關(guān)，這將導(dǎo)致不同車輛的性能特征完全不同。Yole預(yù)計(jì)，在未來(lái)五年內(nèi)，隨著汽車中增加48V電池，與MHEV相關(guān)的功率半導(dǎo)體市場(chǎng)仍將不斷增長(zhǎng)。此外，從混合動(dòng)力汽車到BEV，每輛車的半導(dǎo)體含量將隨電氣化水平的提高而不斷增加。

事實(shí)上，BEV正在推動(dòng)這項(xiàng)技術(shù)加速發(fā)展，在這方面，用戶顯然要求在較短的充電時(shí)間內(nèi)行駛更長(zhǎng)的距離，同時(shí)還要降低成本。有幾種方法可以增加行駛里程，例如優(yōu)化電池設(shè)計(jì)以增加其能量容量或提高逆變器效率。另一方面，為了減少電池充電時(shí)間，世界各地都在部署大功率充電器（高達(dá)350kW）。為了避免與高電流水平相關(guān)的挑戰(zhàn)，發(fā)展趨勢(shì)是增加蓄電池電壓。將電池電壓從現(xiàn)在的400V提高到800V可實(shí)現(xiàn)更快的充電，還可以為汽車用戶提供高附加值。

事實(shí)上，保時(shí)捷和現(xiàn)代已經(jīng)采用了800V電池，其他公司也將效仿。由于主逆變器在更高的電壓下運(yùn)行，其功率半導(dǎo)體組件也必須具有更高的電壓額定值，通常為1200V。從600V－750V組件到1200V組件的轉(zhuǎn)變?yōu)橐恍┕?yīng)商帶來(lái)了新的商業(yè)機(jī)會(huì)，而其他供應(yīng)商的業(yè)務(wù)則將有所減少。車輛電氣化的選擇，以及不同的技術(shù)選擇將導(dǎo)致主要主機(jī)廠采用不同的戰(zhàn)略。

電動(dòng)汽車的主要驅(qū)動(dòng)因素

電動(dòng)汽車的續(xù)航里程不僅決定于電池，整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)的效率也起著舉足輕重的作用。柏林的弗勞恩霍夫可靠性和微集成研究所（IZM）的一個(gè)團(tuán)隊(duì)正在為保時(shí)捷純電Mission E動(dòng)力系統(tǒng)開發(fā)一種電子控制單元——電源逆變器，它能夠比現(xiàn)有方案更有效地轉(zhuǎn)換電池和電機(jī)之間的能量。

保時(shí)捷SiC電源逆變器

研究人員及其行業(yè)合作伙伴的專家們使用特別高效的SiC半導(dǎo)體晶體管，以確保電流流過(guò)晶體管時(shí)消耗的功率更小。他們希望使用最少的晶體管，因?yàn)槊恳粋€(gè)SiC器件都會(huì)消耗一些能量，還要做好冷卻。研究人員重新設(shè)計(jì)了電源逆變器的冷卻元件，以使冷卻效果最佳。通過(guò)這種方式優(yōu)化傳動(dòng)系統(tǒng)，電動(dòng)汽車的里程最終將增加6％。

為解決電源模塊不同材料膨脹率不同的問(wèn)題，新的冷卻元件采用非常薄的金屬板，以補(bǔ)償加熱或冷卻時(shí)由于輕微變形而產(chǎn)生的應(yīng)力，延長(zhǎng)使用壽命。為降低電源逆變器模塊應(yīng)力，冷卻元件和SiC晶體管組成的結(jié)構(gòu)通過(guò)絞合柔性細(xì)銅線與電子系統(tǒng)的其余部分相連，以防止出現(xiàn)裂紋?？梢姡?00V高壓系統(tǒng)恰恰是SiC高溫性能的用武之地。

牽引逆變器是功率電子器件需求大戶

EV／HEV中基本上有三種轉(zhuǎn)換器類型：主逆變器、DC－DC轉(zhuǎn)換器、發(fā)電機(jī)和OBC。由于功率水平較高，主逆變器是轉(zhuǎn)換器中最大的市場(chǎng)，功率半導(dǎo)體含量最高。因此，到2026年，主逆變器市場(chǎng)預(yù)計(jì)將達(dá)到195億美元，占EV／HEV轉(zhuǎn)換器市場(chǎng)的67％，復(fù)合年增長(zhǎng)率為26．9％。

關(guān)于功率半導(dǎo)體市場(chǎng)，由于IGBT和SiC模塊之間的重大技術(shù)角逐，預(yù)計(jì)其價(jià)值將在2020年至2026年翻三番。事實(shí)上，SiC模塊目前的成本仍然是650V IGBT模塊的3倍左右，但當(dāng)生產(chǎn)批量更大時(shí)，隨著向8英寸晶圓的過(guò)渡，以及獲得更高電池電壓的1200V器件的普及，這一差距將逐步縮小。

EV／HEV供應(yīng)鏈繼續(xù)受到不斷增長(zhǎng)的需求和技術(shù)趨勢(shì)的影響。盡管領(lǐng)先的EV／HEV半導(dǎo)體制造商與其他電源應(yīng)用（如英飛凌、意法半導(dǎo)體、日立、三菱電氣、安森美）半導(dǎo)體制造商保持一致，但其他公司（Tier 1、主機(jī)廠、功率半導(dǎo)體制造商和純模塊新來(lái)者）目前也在為EV／HEV提供電源模塊。

類似的情況也發(fā)生在電池設(shè)計(jì)和制造領(lǐng)域，特斯拉和通用汽車等主機(jī)廠正進(jìn)一步試圖控制其供應(yīng)鏈。主機(jī)廠層面的競(jìng)爭(zhēng)也打開了兩條主要賽道：一條是，擁有成熟市場(chǎng)和知名品牌的傳統(tǒng)主機(jī)廠正在將其業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)向電動(dòng)汽車；另一條是，純電動(dòng)汽車主機(jī)廠正在世界不同地區(qū)涌現(xiàn)（如蔚來(lái)、Rivian（里維埃）、Rimac（銳馬克）、小鵬和合眾），以特斯拉為首的其中一些正在逐年快速增加其銷量。新推出的車型通常具有更好的性價(jià)比，這導(dǎo)致了前十大汽車銷量的不斷重塑。

xEV功率半導(dǎo)體器件市場(chǎng)（百萬(wàn)美元）

SiC走上EV／HEV的紅地毯

現(xiàn)在，不用SiC的車都不好意思叫電動(dòng)出行。過(guò)去幾年，特別是自從特斯拉在其Model 3主逆變器中引入SiC以來(lái)，在EV／HEV中采用SiC引起了很大反響。但并非所有轉(zhuǎn)換器或所有類型的電氣化車輛都適用于這種昂貴的材料。

毫無(wú)疑問(wèn)，BEV是采用SiC的贏家，因?yàn)樗笮旭偫锍涕L(zhǎng)、充電時(shí)間快。因此，隨著轉(zhuǎn)換器效率的提高，增加的轉(zhuǎn)換器成本得到了補(bǔ)償，從而節(jié)省了電池成本。因此，在主逆變器中使用SiC已成為主要主機(jī)廠的共同目標(biāo)也就不足為奇了，戴姆勒和現(xiàn)代等公司很快就將其納入了主逆變器中。

雖然SiC器件成本高于硅器件，但有助于降低電池成本和提升續(xù)航里程，從而有效降低整車成本，采用SiC逆變器單車可節(jié)省約200美元，同時(shí)減小主逆變器尺寸和重量。

如今，英飛凌、Cree（Wolfspeed）和意法半導(dǎo)體已經(jīng)推出了一系列有SiC片芯的器件。許多半導(dǎo)體廠商都將SiC模塊作為電動(dòng)汽車應(yīng)用的目標(biāo)。預(yù)計(jì)到2026年，SiC模塊市場(chǎng)將占EV／HEV半導(dǎo)體市場(chǎng)的32％。

SiC和800V的呼應(yīng)

雖然每家主機(jī)廠都有其自己的SiC采用策略，特斯拉用SiC技術(shù)顯著改善了性能，800V電池的采用也增加了SiC的使用，還有更多主機(jī)廠在跟進(jìn)。目前，上海大眾、日產(chǎn)、比亞迪、北汽新能源、吉利等都在其部分車型的OBC和DC－DC中使用了SiC器件；特斯拉、比亞迪、宇通客車、吉利等在電機(jī)控制器中使用了SiC器件；即將在主逆變器中采用SiC的車企更多，包括紅旗、北汽新能源、江淮汽車、現(xiàn)代、本田、寶馬、奧迪及造車新勢(shì)力蔚來(lái)、小鵬、理想等。多家Tier 1也相繼發(fā)布了SiC電驅(qū)動(dòng)計(jì)劃，包括博世、德爾福、采埃孚、法雷奧、緯湃科技、精進(jìn)電動(dòng)等。

有一點(diǎn)可以肯定，技術(shù)不分好壞，適用就是最好，在汽車領(lǐng)域SiC器件將與硅基器件長(zhǎng)期共存。在國(guó)產(chǎn)化方面，與國(guó)外相比國(guó)內(nèi)SiC器件的制造工藝還有一定差距，特別是良率需要進(jìn)一步提升。另一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是車企敢不敢用國(guó)產(chǎn)器件，這需要一定的勇氣和科學(xué)的態(tài)度，需要一些時(shí)間裝車上路測(cè)試驗(yàn)證。

電氣化提速分批導(dǎo)入

車輛電氣化的初始戰(zhàn)略實(shí)施正在加速，因?yàn)椴糠值貐^(qū)／城市禁止使用柴油車，客戶對(duì)SUV型車輛的偏好不斷增加，大眾“柴油機(jī)門”、“特斯拉效應(yīng)”、中國(guó)零排放汽車的激勵(lì)措施、電池成本降低、二氧化碳減排目標(biāo)，NEDC（新歐洲行駛工況）→WLTP（全球統(tǒng)一輕型車輛試驗(yàn)程序），包括新冠疫情，都在推進(jìn)車輛電氣化進(jìn)程。

車輛電氣化加速

目前看，在EV／HEV中的功率電子技術(shù)中，根據(jù)電氣化類型和制造商選擇的不同功率水平，主逆變器既可以是分立式器件，也可以是模塊；48－12V DC－DC基本上是80－100V分立器件；HV－12V DC－DC基本上是500－650V和80－100V分立器件；OBC基本上是600－650V分立器件；升壓轉(zhuǎn)換器基本上是600V分立器件。

每種xEV類型使用的功率器件

因此，模塊，特別是SiC功率器件和模塊的導(dǎo)入空間很大。國(guó)外一些主機(jī)廠2018年就開始在OBC上使用SiC肖特基勢(shì)壘二極管和MOSFET，之后市場(chǎng)滲透率不斷提升，進(jìn)而過(guò)渡到可靠性要求更高的電機(jī)控制器和主逆變器。這也是從分立器件向全SiC模塊過(guò)渡的過(guò)程。

導(dǎo)入需求最高的是長(zhǎng)續(xù)航里程電動(dòng)車型，預(yù)計(jì)到2024年續(xù)航里程在500km以上車型的電機(jī)控制器SiC滲透率將接近100％；500km以下的車型整體滲透率可達(dá)40％。

毋庸置疑，幾乎所有電動(dòng)汽車主機(jī)廠都已將SiC器件的應(yīng)用列入新項(xiàng)目開發(fā)計(jì)劃，預(yù)計(jì)2025年將成為SiC在電動(dòng)汽車市場(chǎng)的爆發(fā)節(jié)點(diǎn)。