■800V 平臺(tái)可有效解決電動(dòng)車(chē)?yán)锍探箲]、快充速度問(wèn)題，車(chē)企紛紛布局：續(xù)航能力和充電時(shí)長(zhǎng)是影響電動(dòng)車(chē)普及程度的重要因素，現(xiàn)階段新能源車(chē)的續(xù)航里程大約為 500-600km，無(wú)法滿(mǎn)足城際間長(zhǎng)里程駕駛需求；另外由于新能源車(chē)補(bǔ)能效率較低， 燃油車(chē)的加油時(shí)間僅為 5 分鐘左右，而新能源車(chē)充電通常需要 60 分鐘，提升電壓平臺(tái)可提升整車(chē)運(yùn)行效率及充電速度。以保時(shí)捷為例，保時(shí)捷將電壓平臺(tái)從 400V 提高至800V 后，實(shí)現(xiàn) 300kW 充電功率，可以在 22.5 分鐘內(nèi)把 Taycan Turbo S容量 93.4kWh 的動(dòng)力電池從 5%充至 80%， 提供 300 公里的續(xù)航能力，高壓線束的截面積僅為 400V 架構(gòu)下的二分之一，線束減重 4kg。吉利極氪、小鵬汽車(chē)、廣汽埃安、比亞迪、理想汽車(chē)、北汽極狐、嵐圖等車(chē)企也相繼投資 800V 電壓架構(gòu)產(chǎn)品，并逐步計(jì)劃量產(chǎn)。

■采用碳化硅器件并未提高整車(chē)成本：目前單個(gè)碳化硅功率器件的價(jià)值量約為硅基IGBT的3倍，但主機(jī)廠通常從整車(chē)成本考慮，采用碳化硅能帶動(dòng)整車(chē)系統(tǒng)效率提升，從而降低系統(tǒng)其他部分成本。根據(jù)產(chǎn)業(yè)調(diào)研，在中高端車(chē)型中使用硅基IGBT的總體成本約為3000元左右，碳化硅器件成本約為硅基IGBT的3倍，在相同性能的產(chǎn)品中，使用碳化硅器件可使汽車(chē)?yán)m(xù)航能力提升5-10%，以5%的性能提升計(jì)算，對(duì)應(yīng)電池端即可節(jié)省4000-5000元，碳化硅耐高壓和耐高溫特性可使得電纜、散熱系統(tǒng)等成本降低，僅散熱系統(tǒng)即可節(jié)省1000元左右，綜合成本可抵消器件本身成本的增加。使用碳化硅并不會(huì)增加整車(chē)成本，這為行業(yè)發(fā)展帶來(lái)長(zhǎng)久動(dòng)力。

■碳化硅成本下降空間大，800V架構(gòu)車(chē)型有望向經(jīng)濟(jì)型下沉：目前碳化硅襯底制作難，長(zhǎng)晶速度慢導(dǎo)致成本過(guò)高，是影響碳化硅器件滲透率的主要因素，現(xiàn)階段采用碳化硅器件的多為中高端車(chē)型。未來(lái)隨著碳化硅襯底工藝提升、尺寸擴(kuò)大及行業(yè)產(chǎn)能增加，勢(shì)必帶來(lái)產(chǎn)品成本降低，經(jīng)濟(jì)型電動(dòng)車(chē)也將有望搭載高壓方案。目前6寸導(dǎo)電型襯底片的市場(chǎng)零售價(jià)約1000美元/片，據(jù)產(chǎn)業(yè)調(diào)研，到2025年價(jià)格有望下降至500美元以下，硅基和SiC基的成本差距會(huì)在2倍內(nèi)，屆時(shí)碳化硅器件更據(jù)優(yōu)勢(shì)，滲透率將有望持續(xù)提升。

■目前問(wèn)題：新能源汽車(chē)發(fā)展不及預(yù)期；800V架構(gòu)產(chǎn)品量產(chǎn)不及預(yù)期；SiC技術(shù)難度大，產(chǎn)品研發(fā)、量產(chǎn)不及預(yù)期；SiC滲透率不及預(yù)期。

01 新能源汽車(chē)向 800V 高電壓平臺(tái)演變， 對(duì)功率器件要求持續(xù)提高

1.1. 電壓平臺(tái)演變歷史：從量變到質(zhì)變

在燃油車(chē)時(shí)代，通過(guò)升高電壓的方式實(shí)現(xiàn)電能的大功率傳輸，滿(mǎn)足汽車(chē)供電需求。1918年，汽車(chē)引入蓄電池，其電壓僅為6V；隨著汽車(chē)電器如車(chē)燈、照明、ISG等用電器件的增加，6V低電壓系統(tǒng)無(wú)法滿(mǎn)足車(chē)用電器功率要求，加之電氣化部件的大量集成，1950年汽車(chē)電壓平臺(tái)升級(jí)為12V；二十世紀(jì)九十年代，出現(xiàn)42V汽車(chē)電壓平臺(tái)，但是由于零部件升級(jí)電壓規(guī)格成本高而未能實(shí)現(xiàn)；2010年前后，在信息娛樂(lè)、混動(dòng)的需求背景下，歐洲發(fā)起48V電壓系統(tǒng)升級(jí)，Audi， BMW， Daimler， Porsche， Volkswagen 聯(lián)合推出48V系統(tǒng)，與12V電壓平臺(tái)共存；2020年，各國(guó)節(jié)能法規(guī)的頒布推動(dòng)48V低電壓平臺(tái)發(fā)展。

隨著車(chē)載電器數(shù)量的增多，以及自動(dòng)駕駛、節(jié)油減耗等要求的提出，電動(dòng)汽車(chē)的電壓平臺(tái)將逐漸由 400V 升高至 800V，以分擔(dān)蓄電池的工作壓力。純電動(dòng)汽車(chē)中成百上千個(gè)電池串并聯(lián)形成超百伏的電池包， 其高壓系統(tǒng)主要包括動(dòng)力電池、配電盒、OBC、DCDC、電驅(qū)、PTC、空調(diào)、充電口等。

目前，電動(dòng)車(chē)根據(jù)帶電量不同選擇不同的電壓等級(jí)。一般小型代步車(chē)的電壓為48V、60V和72V；乘用車(chē)的電壓范圍大約為250-450V；大巴車(chē)、公交車(chē)等由于帶電量高，其基本電壓為450-700V。在未來(lái)，隨著對(duì)續(xù)航里程、充電速度要求的提高，電動(dòng)車(chē)電壓有望升至800V-1000V。

國(guó)內(nèi)外車(chē)企紛紛布局800V高電壓平臺(tái)。2019年4月保時(shí)捷Taycon Turbo S 全球首發(fā)，業(yè)內(nèi)最先量產(chǎn)800V高電壓平臺(tái)的汽車(chē)，將最大充電功率提升到350kW，可以在22.5分鐘內(nèi)把Taycon Turbo S容量93.4kWh的動(dòng)力電池從5%充至80%，提供300公里的續(xù)航能力。2020 年12月，現(xiàn)代汽車(chē)集團(tuán)推出全新電動(dòng)汽車(chē)專(zhuān)用平臺(tái) “E-GMP” ，該平臺(tái)同樣搭載可以實(shí)現(xiàn)最大 800V 多功能充電系統(tǒng)。Rivian和通用也已經(jīng)計(jì)劃將電壓改為800V。國(guó)內(nèi)，吉利極氪、小鵬汽車(chē)、廣汽埃安、比亞迪e平臺(tái)、理想汽車(chē)、北汽極狐、嵐圖等車(chē)企也已經(jīng)布局了800V快充技術(shù)。

1.2. 電壓高壓化：里程焦慮、充電速度慢問(wèn)題的最好解決方案

續(xù)航能力是決定新能源汽車(chē)普及程度的重要因素。大部分新能源汽車(chē)的續(xù)航里程低于600公里，低于燃油車(chē)的續(xù)航里程，難以滿(mǎn)足城際間的長(zhǎng)里程行駛需求。目前，市場(chǎng)上較暢銷(xiāo)的新能源車(chē)型包括特斯拉、比亞迪、蔚來(lái)、小鵬等，其中，比亞迪唐和比亞迪宋的續(xù)航里程為505公里；特斯拉的續(xù)航里程范圍為545-675km；小鵬P5續(xù)航里程600km。新能源車(chē)的續(xù)航里程仍有較大的上升空間，不足以滿(mǎn)足未來(lái)人們長(zhǎng)里程駕駛需求。

與燃油車(chē)相比，新能源車(chē)的補(bǔ)能效率較低。燃油車(chē)的加油時(shí)間僅為5分鐘，而目前快充至少需要60分鐘。在高峰期充電排隊(duì)等候的時(shí)間亦進(jìn)一步拉長(zhǎng)。目前，主要有以下三種充電方法：

? 在家中充電：家庭用戶(hù)使用的三眼插座有10A和16A兩種規(guī)格，約8-10小時(shí)可以充滿(mǎn)。

? 交流充電樁：將電動(dòng)車(chē)直接在電流更大的交流電網(wǎng)上，用充電樁進(jìn)行充電，充電時(shí)長(zhǎng)約4小時(shí)。慢充電樁功率通常為3.5kW和7kW，取決于車(chē)載充電機(jī)的額定輸入功率。

? 直流充電樁：將電動(dòng)車(chē)連接到交流電網(wǎng)或直流電網(wǎng)時(shí)，使用了帶控制導(dǎo)引功能的直流供電設(shè)備。由大功率非車(chē)載直流充電機(jī)直接輸出直流給車(chē)輛電池充電。在充電時(shí)，充電樁需要提供與電池相匹配的電壓，國(guó)標(biāo)規(guī)定直流輸出電流最大不超過(guò)250A，多數(shù)電動(dòng)車(chē)能獲得不高于102.5 kW的峰值充電功率，充電時(shí)間大約需0.5h。

提高汽車(chē)電壓平臺(tái)可以大幅提升整車(chē)運(yùn)行效率、縮短充電時(shí)長(zhǎng)。電阻大小相同情況下，高電壓可使電損耗減少，效率提升。2021年9月，比亞迪發(fā)布e平臺(tái)3.0，有800V閃充功能，實(shí)現(xiàn)充電5分鐘續(xù)航150公里，搭載該平臺(tái)的車(chē)型有望在2022年量產(chǎn)；極氪001 具備 400V 和800V 兩種電壓架構(gòu)，10%-80% SOC 充電時(shí)間僅需30分鐘，充電5分鐘續(xù)航可增加120 公里；北汽極狐發(fā)布極狐αS Hi 版，具備800V 充電架構(gòu)，2.2C 閃充技術(shù)能實(shí)現(xiàn)10 分鐘補(bǔ)充 196 公里續(xù)航的電量，30%-80%SOC 充電時(shí)間僅為 15 分鐘。2021 年 10 月，小鵬汽車(chē)公布首個(gè)量產(chǎn)的800V 高壓 SiC 平臺(tái)，充電峰值電流超過(guò)600A，采用高能量密度、高充電倍率電池，充電 5 分鐘最高可補(bǔ)充續(xù)航200 公里。

1.3. 相較于提高電流，高電壓仍為未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

根據(jù)P=UI，提升快沖效率的方向有二：提升電壓，將新能源汽車(chē)的電壓系統(tǒng)從400V升高至800V后電動(dòng)車(chē)的功率提高一倍，大幅降低充電時(shí)間；提升電流，特斯拉是采用提高電流方法的代表。

高電流模式推廣程度低，對(duì)熱管理要求高。根據(jù)特斯拉官網(wǎng)，特斯拉V3超充樁在400V電壓下可達(dá)到250kW的峰值充電功率。特斯拉電動(dòng)車(chē)的充電時(shí)間需要30分鐘左右，大電流超充的推廣難度較高，由焦耳定律Q=I2RT，熱量與電流的二次方成正比，大電流充電過(guò)程中產(chǎn)生的熱量大幅增加，對(duì)汽車(chē)的散熱系統(tǒng)有更高的要求。以特斯拉為例，特斯拉V3 超充樁峰值工作電流超過(guò)600A，故需要使用更粗的線束。此外，大電流模式的應(yīng)用場(chǎng)景有限制，目前大電流模式僅在10%-20%SOC 進(jìn)行最大功率充電，在其他區(qū)間充電功率也有明顯下降。

高電壓模式是車(chē)廠普遍采用的模式，除減少能耗、提高續(xù)航里程外，還有減少重量、節(jié)省空間等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)焦耳定律，高電壓系統(tǒng)下，電流變小使得整個(gè)系統(tǒng)的功率損耗減小，提高效率。若電流不變，汽車(chē)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)效率則會(huì)提升，從而增加續(xù)航里程、降低電池成本。高電壓模式的有點(diǎn)還包括降低高壓線束重量，同功率情況下，電壓等級(jí)的提高客減少高壓線束上的電流，使得線束變細(xì)，從而降低線束重量、節(jié)省安裝空間。以保時(shí)捷為例，保時(shí)捷將電壓平臺(tái)從400V提高至800V后，實(shí)現(xiàn)300kW充電功率，高壓線束的截面積僅為400V架構(gòu)下的二分之一，線束減重4kg。小鵬也推出800V平臺(tái)下的400kW快沖，充電效率可達(dá)5C，實(shí)現(xiàn)充電10分鐘續(xù)航400公里的效果。

1.4. 400V電壓平臺(tái)下功率器件使用情況

與燃油車(chē)相比，新能源車(chē)對(duì)電力控制的需求提高，功率器件在新能源車(chē)中的占比遠(yuǎn)高于燃油車(chē)。在傳統(tǒng)燃料汽車(chē)中，汽車(chē)電子主要分布于動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)、車(chē)身、安全、娛樂(lè)等子系統(tǒng)中；而在新能源汽車(chē)中，功率器件主要集中于“三電系統(tǒng)”，即電池、電機(jī)和電控系統(tǒng)，新增 DC-DC 模塊、電機(jī)控制系統(tǒng)、電池管理系統(tǒng)、高壓電路等部件。新能源汽車(chē)系統(tǒng)架構(gòu)中涉及到功率半導(dǎo)體應(yīng)用的組件包括：電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、OBC、 AC/DC 和 DC/DC。

不同檔次的電動(dòng)車(chē)采用功率器件存在差異。根據(jù)產(chǎn)業(yè)調(diào)研，A00-A0級(jí)車(chē)售價(jià)集中在2-3萬(wàn)元，電控系統(tǒng)主要采用最小的MOS方案，以92V的低壓?jiǎn)喂転橹?，主要供?yīng)商為ST，上汽通用五菱是采用該方案的典型代表；A0-A級(jí)車(chē)，售價(jià)在10萬(wàn)元以下，通常采用650V的IGBT方案，低壓IGBT領(lǐng)域目前斯達(dá)半導(dǎo)在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的份額最大；10萬(wàn)-20萬(wàn)元的電動(dòng)汽車(chē)大部分采用750V IGBT，英飛凌占據(jù)該細(xì)分市場(chǎng)最大的市場(chǎng)份額；比亞迪著力于高壓1200V IGBT模組，物流車(chē)、商用車(chē)等C級(jí)車(chē)主要采用1200V方案。

主電機(jī)驅(qū)動(dòng)：汽車(chē)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、電機(jī)和逆變器。功率器件主要應(yīng)用于逆變器，400V電壓平臺(tái)下，電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的逆變器主要采用硅基IGBT，約占其成本的50%。

OBC（車(chē)載充電系統(tǒng)）：車(chē)載蓄電池充電機(jī)可將來(lái)自電池子系統(tǒng)的DC電源轉(zhuǎn)換為主驅(qū)動(dòng)電機(jī)的AC電源，通常采用硅基IGBT方案，由于SiC器件可使得OBC減少能耗、改善散熱情況，全球范圍內(nèi)汽車(chē)廠商陸續(xù)采用SiC功率器件代替硅器件。

AC/DC：車(chē)載AC/DC變換器可將高壓直流電逆變成交流電來(lái)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)、空調(diào)工作，通常采用硅基IGBT方案。

DC/DC：車(chē)載DC/DC變換器可將動(dòng)力電池輸出的高壓直流電轉(zhuǎn)換為低壓直流電。從車(chē)載動(dòng)力電池取電，給車(chē)載12V或24V低壓電池充電，并為整車(chē)提供全部的低壓供電，通常采用硅基IGBT方案。

1.5. 800V電壓平臺(tái)下的電動(dòng)車(chē)部件升級(jí)

實(shí)現(xiàn) 800V 電壓平臺(tái)，需要面對(duì)元器件重新開(kāi)發(fā)、電池模組安全性能提高以及半導(dǎo)體器件路線改變等難題。就電池包而言，4C 以上充電倍率以及電壓和電流的增大會(huì)極大的影響電池的穩(wěn)定性和使用壽命，需在 BMS 和電池材料電導(dǎo)率上進(jìn)一步改善。此外，更大的充電功率對(duì)電池系統(tǒng)的冷卻提出較大挑戰(zhàn)，需對(duì)發(fā)熱較為集中的電芯正極區(qū)域進(jìn)行針對(duì)性冷卻和熱管理， 保障電池在理想溫度區(qū)間內(nèi)工作。

電壓平臺(tái)的升高要求電動(dòng)車(chē)的三電系統(tǒng)以及空調(diào)壓縮機(jī)、DC/DC、OBC等部件在800V甚至1000V的電壓下正常工作，即需要各部件耐高壓、耐高溫。

? 電控：800V平臺(tái)要求電機(jī)控制器采用碳化硅 MOSFET代替硅基IGBT。硅基IGBT在450V平臺(tái)下耐壓650V，汽車(chē)電壓平臺(tái)升高至800V后，要求功率半導(dǎo)體耐壓等級(jí)達(dá)到1200V，硅基IGBT的開(kāi)關(guān)/導(dǎo)通損耗將大幅升高。而800V下的碳化硅器件在耐壓、開(kāi)關(guān)頻率、損耗等多個(gè)維度表現(xiàn)優(yōu)異，高電壓平臺(tái)將推動(dòng)碳化硅MOSFET發(fā)展。

? 電機(jī)：800V逆變器導(dǎo)致電壓變化頻率高，軸電流增大，軸承防腐蝕要求增加，同時(shí)，由于電壓/開(kāi)關(guān)頻率增加，800V電機(jī)內(nèi)部的絕緣/EMC防護(hù)等級(jí)要求提升。

? OBC+DC/DC：OBC/DCDC等功率器件集成化趨勢(shì)明顯。電壓升高800V后，充電機(jī)OBC將不會(huì)使用目前的650V的硅基方案，變?yōu)槭褂锰蓟璧姆桨?；考慮高頻特性，DC/DC不會(huì)使用1700V的IGBT，效率比較低。據(jù)產(chǎn)業(yè)調(diào)研，電壓平臺(tái)從400V升高至800V后，充電機(jī)70%以上的功率器件將換為碳化硅方案。

? 連接器+線束：平臺(tái)架構(gòu)從 400V 升級(jí)至 800V 要求連接器重新選型，為增加大功率快充借口，連接器數(shù)量可能增加；在同等功率條件下，電壓提高，電流減小，線束材料用量更少，但對(duì)耐壓、絕緣要求更高。

02

碳化硅物理特性?xún)?yōu)良，適合制備高溫、高壓、高頻器件

2.1. 碳化硅：第三代半導(dǎo)體材料，具備耐高壓、高溫等優(yōu)點(diǎn)

碳化硅光電特性?xún)?yōu)越，耐高溫、高壓、高頻，是800V電壓平臺(tái)下功率器件的首要選擇。碳化硅屬于第三代半導(dǎo)體材料，與前兩代半導(dǎo)體材料相比最大的優(yōu)勢(shì)是較寬的禁帶寬度，保證了其可擊穿更高的電場(chǎng)強(qiáng)度， 適合制備耐高壓、高頻的功率器件。

SiC適合制備高壓器件。SiC的絕緣擊穿場(chǎng)強(qiáng)是Si的10倍，較大的絕緣擊穿場(chǎng)強(qiáng)使碳化硅能夠以更高的摻雜濃度并且膜厚更薄的漂移層制作出600V～數(shù)千V 的高壓功率器件。高壓功率器件的電阻成分主要由該漂移層的電阻所組成，因此使用SiC 材料可以實(shí)現(xiàn)單位面積導(dǎo)通電阻非常低的高壓器件。理論上當(dāng)耐壓相等時(shí)，SiC 在單位面積下的漂移層電阻可以降低到Si 的1/300。使用碳化硅材料，可避免硅基IGBT開(kāi)關(guān)損耗大、高頻驅(qū)動(dòng)發(fā)熱等問(wèn)題。SiC 材料能夠以具有快速器件結(jié)構(gòu)特征的多數(shù)載流子器件（肖特基勢(shì)壘二極管和MOSFET）實(shí)現(xiàn)高壓化。

SiC可以在高溫場(chǎng)景下應(yīng)用。SiC的帶隙寬度大約為Si的3倍，可以在較寬范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)必要的P 型、N 型控制，超越Si器件的物理極限。因此，SiC可以在高溫條件下穩(wěn)定工作。根據(jù)羅姆官方《SiC功率器件-模塊應(yīng)用筆記》顯示，目前由于受到封裝的耐熱可靠性的制約，只保證到150℃～175℃，但是隨著封裝技術(shù)的發(fā)展，將來(lái)也可能達(dá)到200℃以上的保證溫度。

2.2. 碳化硅二極管可替換快速恢復(fù)二極管，在高頻高壓情況下表現(xiàn)優(yōu)異

碳化硅肖特基勢(shì)壘二極管具有恢復(fù)損耗小、開(kāi)關(guān)電源高頻、減小元件體積、降低噪音等優(yōu)點(diǎn)。SiC 能夠以具有 Si 快速器件結(jié)構(gòu)特征的肖特基勢(shì)壘二極管（SBD）結(jié)構(gòu)，制作出 1200V 以上的高耐壓二極管（Si SBD 的最高耐壓為 200V 左右）。

碳化硅肖特基二極管的正向特性使其適合并聯(lián)使用。SiC SBD的開(kāi)啟電壓與 Si FRD為同等水平， 都小于 1V。開(kāi)啟電壓是由肖特基勢(shì)壘的勢(shì)壘高度所決定的，若降低 VF值，則需要減薄肖特基勢(shì)壘的高度， 但這會(huì)使器件反向偏壓時(shí)的漏電流增大。“降低開(kāi)啟電壓” 和“控制漏電流” 存在折中關(guān)系。SiC SBD 的溫度特性與 Si FRD 不同，當(dāng)溫度升高時(shí)，隨著工作電阻的增加，VF值也上升，不易發(fā)生熱失控，因此 SiC SBD 更適合并聯(lián)使用。同等溫度條件下，IF=10A 時(shí)碳化硅與硅二極管正向?qū)妷罕葘?duì)，碳化硅肖特基二極管的導(dǎo)通壓降為1.5V， 硅快速恢復(fù)二極管的導(dǎo)通壓降為 1.7V， 碳化硅材料性能好于硅材料。

由于碳化硅肖特基二極管的恢復(fù)特性，SiC SBD可大幅減少損耗，穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)器件的正反切換。硅快速恢復(fù)二極管在從正向?qū)顟B(tài)切換到反向截止?fàn)顟B(tài)的瞬間，會(huì)產(chǎn)生極大的反向瞬態(tài)沖擊電流，器件從正壓導(dǎo)通轉(zhuǎn)向反壓截止偏壓狀態(tài)。此過(guò)程時(shí)間長(zhǎng)，電流大，會(huì)產(chǎn)生較大的損耗，當(dāng)器件正向電流越大及溫度越高時(shí)，恢復(fù)時(shí)間和恢復(fù)電流就越大，損耗也就越大。而碳化硅肖特基二極管是一種多數(shù)載流子導(dǎo)電器件（單極性器件），在工作過(guò)程中不會(huì)發(fā)生少數(shù)載流子存儲(chǔ)的現(xiàn)象，也不會(huì)產(chǎn)生過(guò)大的正反向切換瞬態(tài)沖擊電流，只有結(jié)電容放電的小電流，因此碳化硅肖特基二極管的開(kāi)關(guān)損耗比硅快速恢復(fù)二極管更低。根據(jù)ROHM測(cè)試結(jié)果，無(wú)論使用溫度和正向電流如何改變，SiC的反向恢復(fù)電流都得到了大幅減小。

2.3. 碳化硅MOSFET在性能上優(yōu)于IGBT

硅基 IGBT 與 SiC MOSFET 在電氣參數(shù)上存在較大差異。

與硅基IGBT對(duì)比，SiC MOSFET不僅耐壓性更好，而且可有效減少開(kāi)關(guān)損耗。雖然IGBT器件可應(yīng)用于600V以上的電壓場(chǎng)景，但是由于少數(shù)載流子的積聚，在關(guān)斷時(shí)會(huì)產(chǎn)生拖尾電流，產(chǎn)生較大的開(kāi)關(guān)損耗。而SiC器件的漂移層電阻比 Si 器件的要小，不必使用電導(dǎo)率調(diào)制，就能夠以具有快速器件結(jié)構(gòu)特征的 MOSFET 同時(shí)實(shí)現(xiàn)高耐壓和低導(dǎo)通電阻。采用SiC MOSFET 可以達(dá)到開(kāi)關(guān)損耗減小、散熱器小型化的效果。并且，SiC MOSFET可實(shí)現(xiàn)IGBT無(wú)法進(jìn)行的高頻驅(qū)動(dòng)，有助于實(shí)現(xiàn)被動(dòng)器件的小型化。

SiC MOSFET可以在更寬的電流范圍和溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定工作。SiCMOSFET 不存在像 IGBT 那樣的開(kāi)啟電壓，因此從小電流到大電流的寬電流范圍內(nèi)都能夠?qū)崿F(xiàn)較低的導(dǎo)通損耗。另外，Si MOSFET 在 150℃時(shí)的導(dǎo)通電阻會(huì)上升為室溫時(shí)的2倍以上，但是 SiCMOSFET 的上升率相對(duì)較低，因此熱設(shè)計(jì)更加容易、高溫下也能夠?qū)崿F(xiàn)較低的導(dǎo)通電阻。

SiC MOSFET在溫度升高時(shí)，其導(dǎo)通電阻上升率低于Si MOSFET和IGBT，耐高溫程度高。這是因?yàn)樵谄骷膶?dǎo)通電阻中，漂移層電阻的占比較小，其他電阻成分的占比較大。溝道電阻 RCH 在高溫時(shí)會(huì)稍微下降，n+基板的電阻 RSUB 幾乎沒(méi)有溫度依存性。650V 產(chǎn)品的漂移層電阻成分較小，因此溫度系數(shù)非常??；1200V 產(chǎn)品的漂移層會(huì)變厚，電阻成分較大，SiC MOSFET的優(yōu)勢(shì)更加顯著。

03 碳化硅在高壓車(chē)型滲透率提升趨勢(shì)明顯

3.1. 高壓車(chē)型不斷推出，碳化硅滲透趨勢(shì)明顯

800V 方案中快充功率可以達(dá)到 400-500kW， 如小鵬 G9 充電十分鐘續(xù)航 400 公里。 目前市面新能源汽車(chē)主流電壓平臺(tái)介于 400V-500V 之間，理想 ONE 、小鵬汽車(chē)和蔚來(lái)汽車(chē)的換電方案都在嘗試解決里程焦慮和充電速度慢的問(wèn)題，未來(lái) 800V 快充趨勢(shì)明顯。

搭載高壓架構(gòu)的車(chē)型逐漸趨向經(jīng)濟(jì)型下沉，推動(dòng)碳化硅市場(chǎng)滲透率提升。碳化硅在高壓方面有先天性能優(yōu)勢(shì)，只要車(chē)企用的是高壓、650V以上的電池，電壓越大，碳化硅的優(yōu)勢(shì)越明顯；在車(chē)的續(xù)航能力方面，續(xù)航要求越高，碳化硅越有優(yōu)勢(shì)。就乘用車(chē)而言，300km以上續(xù)航，碳化硅具備優(yōu)勢(shì)，電池需求越大，碳化硅優(yōu)勢(shì)越明顯。目前在高續(xù)航和快充的市場(chǎng)需求下，新能源汽車(chē)由400V向800V架構(gòu)升級(jí)趨勢(shì)已成大局，未來(lái)隨著電池、器件車(chē)成本的降低，經(jīng)濟(jì)型電動(dòng)車(chē)也有望搭載高壓方案。隨著碳化硅尺寸的增大、產(chǎn)業(yè)鏈的完善，碳化硅襯底成本下降，碳化硅器件會(huì)逐漸擴(kuò)展至中低端車(chē)市場(chǎng)，SiC市場(chǎng)空間將被進(jìn)一步打開(kāi)。據(jù)CASA預(yù)測(cè)，到2025年新能源汽車(chē)中SiC 功率半導(dǎo)體市場(chǎng)預(yù)計(jì)將以38％的年復(fù)合增長(zhǎng)率增長(zhǎng)。

碳化硅方案能提升電驅(qū)系統(tǒng)性能，減小器件體積，提高30%左右功率密度：碳化硅功率器件主要應(yīng)用于新能源汽車(chē)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的電機(jī)控制器。2020年比亞迪漢EV車(chē)型電機(jī)控制器使用其自主研發(fā)制造的SiC MOSFET控制模塊，使得其可以在更高的電壓平臺(tái)下工作，從而減少設(shè)備電阻損失。比亞迪漢在電力電子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了更小的體積，同功率情況下，體積縮小30%，即功率密度也將提升30%左右，功率達(dá)到了更高的363kW；車(chē)輛的加速性能提升明顯，實(shí)現(xiàn)了3.9s內(nèi)0-100公里的加速；延長(zhǎng)汽車(chē)的續(xù)航里程至600km以上；這均得益于碳化硅低開(kāi)關(guān)、耐高壓、耐高溫、導(dǎo)熱率高的優(yōu)良特性。

碳化硅器件可使OBC體積減少60%，能量損耗減少30%：根據(jù)Wolfspeed數(shù)據(jù)，OBC采用碳化硅器件與硅器件相比，其體積可減少60%，并減少30%的能量損耗，SiC的峰值效率可以達(dá)到97%，比硅器件提升2%，BOM成本將降低15%。據(jù)產(chǎn)業(yè)調(diào)研，目前OBC市場(chǎng)單價(jià)在300元，即單件成本可降低45元左右。在400V系統(tǒng)相同充電速度下，采用SiC方案充電量將實(shí)現(xiàn)翻倍。目前，全球已有超過(guò)20 家汽車(chē)廠商在車(chē)載充電系統(tǒng)中使用碳化硅功率器件，電壓升高至800V以后，OBC將采用1200V的碳化硅方案。據(jù)Wolfspeed 2021年12月7日化合物半導(dǎo)體大會(huì)觀點(diǎn)，現(xiàn)在用的650V的硅方案將逐漸淡出市場(chǎng)，在2022年11kW將取代6.6kW成為主流的功率等級(jí)。據(jù)產(chǎn)業(yè)調(diào)研，每一個(gè)11kW的SiCOBC約用到10顆碳化硅MOS，單價(jià)7美金，合計(jì)70美金，假設(shè)300萬(wàn)輛新能源車(chē)采用，即對(duì)應(yīng)2.1億美金市場(chǎng)。

碳化硅電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（車(chē)載 DC/DC）可簡(jiǎn)化設(shè)備結(jié)構(gòu)，減小體積：電動(dòng)車(chē)上的電池電壓一般比較高，400v或者800v，需要用DC/DC部件將其轉(zhuǎn)換成12v，采用碳化硅器件，設(shè)備溫度積累減少，加之材料本身高導(dǎo)熱率、耐高溫的特點(diǎn)，散熱設(shè)備可以簡(jiǎn)化，從而減小變壓器體積。

碳化硅充電樁充電效率可由95%提升至97%，電路所占的面積減少25%到30%：SiC的高開(kāi)關(guān)速度保證了快速充電器的充電速度。用SiC MOSFET設(shè)計(jì)的兩級(jí)拓?fù)浔裙鐰C/DC轉(zhuǎn)換器更簡(jiǎn)單、更小、更高效，同時(shí)可減少元件數(shù)量，基于SiC的設(shè)計(jì)中有6個(gè)有源元件，而基于Si MOSFET的設(shè)計(jì)中有12個(gè)有源元件，兩級(jí)IGBT設(shè)計(jì)中有18個(gè)有源元件。在尺寸方面，基于SiC的電路所占的面積減少了25%到30%。

據(jù)產(chǎn)業(yè)調(diào)研，采用碳化硅方案，在電池容量相同的情況下，其續(xù)航里程可提高5-10%；同理，在續(xù)航里程相同的情況下，電池容量可以減少5-10%。同等電池情況下，明顯增加續(xù)航歷程，假設(shè)原車(chē)600KM里程，提升7%，意味著提升有效里程到642KM。整合在電機(jī)能量密度上的提升，以及電路面積等的優(yōu)化，如果為了提升里程，充分利用有效面積，可以進(jìn)一步增加電池容量。

3.2. 使用碳化硅并未增加整車(chē)成本

整車(chē)廠更加關(guān)注整車(chē)成本變化而非僅功率器件成本變化，使用碳化硅方案并未增加整車(chē)成本。據(jù)產(chǎn)業(yè)調(diào)研， 在中高端車(chē)型單個(gè)電驅(qū)硅基 IGBT 價(jià)值量約 1000-1500 元，按中高端車(chē)型兩個(gè)電驅(qū)來(lái)計(jì)算，總價(jià)值量約 2000-3000 元；OBC 功率器件成本約 300 元，車(chē)載空調(diào)功率器件成本約 100 元，其它如助力轉(zhuǎn)向等約 300 元，合計(jì)硅基功率器件用量約 2700-3700 元。目前碳化硅方案成本是硅基 IGBT 的 3 倍左右，使用碳化硅方案總成本增加 5400-7400 元左右。

動(dòng)力電池占純電動(dòng)汽車(chē)總成本的40%-50%，假設(shè)某中高端電動(dòng)車(chē)價(jià)格為20萬(wàn)元，電池成本約8-10萬(wàn)元，假設(shè)碳化硅方案提升里程5%計(jì)算，相同性能的產(chǎn)品條件下，僅電池系統(tǒng)就為總成本節(jié)省4000元-5000元。

根據(jù)戴姆勒奔馳研究，800V高壓平臺(tái)下采用碳化硅模塊較Si基IGBT 模塊整車(chē)能降低7.6%的能耗，冷卻系統(tǒng)將節(jié)約1000元左右。

高壓平臺(tái)碳化硅方案下，線路電流減小，器件更緊湊，對(duì)電纜的需求降低，綜合計(jì)算最終使用碳化硅并未增加整車(chē)成本。未來(lái)碳化硅規(guī)?；慨a(chǎn)之后成本會(huì)更低，將為整車(chē)成本創(chuàng)造更大空間。

04

新能源車(chē)用碳化硅市場(chǎng)預(yù)測(cè)

4.1. 碳化硅成本下降趨勢(shì)可期

襯底制備是碳化硅器件核心難點(diǎn)， 襯底工藝進(jìn)步是成本下降主攻方向。新能源汽車(chē)中使用的碳化硅器件襯底主要以導(dǎo)電型碳化硅襯底為主， 目前， 以 6 英寸占主流， 8 英寸襯底開(kāi)始研發(fā)；半絕緣碳化硅襯底以 4 英寸為主， 目前逐漸向 6 英寸襯底發(fā)展。6 英寸襯底面積為 4 英寸襯底的 2.25 倍， 相同的晶體制備時(shí)間內(nèi)襯底面積的倍數(shù)提升帶來(lái)襯底成本的大幅降低。與此同時(shí)， 單片襯底上制備的芯片數(shù)量隨著襯底尺寸增大而增多， 單位芯片的成本也即隨之降低， 因此碳化硅襯底正在不斷向大尺寸的方向發(fā)展。

成本下降方向：結(jié)合目前成本情況及技術(shù)發(fā)展方向，碳化硅襯底的成本可以通過(guò)做大尺寸、提高材料使用效率和提高良率等方式下降。

? 做大尺寸：襯底的尺寸越大，邊緣的浪費(fèi)就越小，有利于進(jìn)一步降低芯片的成本。6英寸襯底面積為4英寸襯底的2.25倍，相同的晶體制備時(shí)間內(nèi)襯底面積的倍數(shù)提升帶來(lái)襯底成本的大幅降低，與此同時(shí)，單片襯底上制備的芯片數(shù)量隨著襯底尺寸增大而增多，單位芯片的成本也即隨之降低。

? 提高材料使用效率：由于技術(shù)限制，長(zhǎng)晶時(shí)間很難縮短，而單位時(shí)間內(nèi)長(zhǎng)晶越厚成本越低，因此可以設(shè)法增加晶錠厚度；另一方面，目前的切割工藝很容易造成浪費(fèi)，可以通過(guò)激光切割或其他技術(shù)手段減少切割損耗。

?提高良率：以山東天岳為例，碳化硅襯底產(chǎn)品良率逐年提升。招股書(shū)披露，天岳在襯底制造核心生產(chǎn)環(huán)節(jié)的晶棒良品率由 2018 年的 41.00%上升至 2020 年的 50.73%，襯底良率總體保持在70%以上。隨著工藝的逐步提升，碳化硅襯底生產(chǎn)成本將得到進(jìn)一步下降。

4.2. 800V電壓平臺(tái)大力帶動(dòng)碳化硅市場(chǎng)

新能源汽車(chē)碳化硅功率器件市場(chǎng)規(guī)模推算：根據(jù)中國(guó)汽車(chē)工業(yè)協(xié)會(huì)數(shù)據(jù)，我國(guó)新能源汽車(chē)銷(xiāo)量由2015 年的33.1 萬(wàn)輛增至2019 年的120.6 萬(wàn)輛，復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)38%，2021年前11個(gè)月新能源車(chē)?yán)塾?jì)產(chǎn)量突破300萬(wàn)輛，銷(xiāo)量接近300萬(wàn)輛。中汽協(xié)預(yù)計(jì)2021年全年中國(guó)新能源汽車(chē)銷(xiāo)量有望達(dá)到340萬(wàn)輛。IDC預(yù)測(cè)中國(guó)新能源車(chē)銷(xiāo)量至2025年的年均復(fù)合增長(zhǎng)率（CAGR）將達(dá)到36.1%。目前比亞迪、吉利極氪、小鵬汽車(chē)、廣汽埃安、理想汽車(chē)、北汽極狐、嵐圖等車(chē)企相繼投資800V電壓架構(gòu)產(chǎn)品，合理假設(shè)2025年碳化硅器件滲透率30%，年均價(jià)格降幅10%，僅碳化硅功率器件在電動(dòng)車(chē)市場(chǎng)空間達(dá)220億元。

05

目前難點(diǎn)

（1）新能源車(chē)發(fā)展不及預(yù)期風(fēng)險(xiǎn)。新能源車(chē)為碳化硅功率器件帶來(lái)巨大的增量市場(chǎng)。若新能源車(chē)銷(xiāo)量不及預(yù)期， SiC 的發(fā)展會(huì)隨之受到影響。

（2）800V 架構(gòu)產(chǎn)品量產(chǎn)不及預(yù)期風(fēng)險(xiǎn)。碳化硅器件優(yōu)勢(shì)在高電壓平臺(tái)架構(gòu)下發(fā)揮明顯，若800V 車(chē)型量產(chǎn)不及預(yù)期，SiC 滲透率會(huì)受到影響。

（3）SiC 技術(shù)難度大， 產(chǎn)品研發(fā)、 量產(chǎn)不及預(yù)期風(fēng)險(xiǎn)。國(guó)外龍頭企業(yè)大力布局 SiC 領(lǐng)域研發(fā)，若國(guó)內(nèi)企業(yè)產(chǎn)品研發(fā)失敗、產(chǎn)能不足，無(wú)法滿(mǎn)足下游應(yīng)用市場(chǎng)要求，對(duì)市場(chǎng)前景會(huì)產(chǎn)生不利影響。

（4） SiC 成本高居不下， SiC 滲透率不及預(yù)期風(fēng)險(xiǎn)。目前碳化硅功率器件的價(jià)格仍數(shù)倍于硅基器件， 下游應(yīng)用領(lǐng)域仍需平衡碳化硅器件的高價(jià)格與因碳化硅器件的優(yōu)越性能帶來(lái)的綜合成本下降之間的關(guān)系， 一定程度上限制了碳化硅器件的滲透率。若碳化硅制造成本無(wú)法下降，對(duì)市場(chǎng)應(yīng)用進(jìn)展產(chǎn)生不利影響。

審核編輯：郭婷