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碳化硅和IGBT，新能源汽車功率器件怎選？

芯師爺|芯師爺|Core master|

2023-04-08 07:20:05 533

近期，特斯拉宣布將大砍碳化硅用量75%的消息沖上了熱搜。這一消息，也讓業(yè)內(nèi)對(duì)于碳化硅究竟能否替代IGBT在新能源汽車中的地位，產(chǎn)生了懷疑。曾被“捧上天”的碳化硅是否真的要“跌落神壇”？碳化硅在新能源汽車領(lǐng)域究竟有沒(méi)有替代IGBT的能力？在這場(chǎng)“代際”之爭(zhēng)中，誰(shuí)會(huì)是真正的贏家？

碳化硅“動(dòng)搖”IGBT地位

在2018年特斯拉將碳化硅應(yīng)用到其Model 3車型中以前，新能源車中一直使用的功率IC是IGBT。彼時(shí)，IGBT是新能源車電控系統(tǒng)的核心組成部分，被譽(yù)為新能源車的“心臟”。但隨著特斯拉用48顆碳化硅芯片取代原有的84顆IGBT后，碳化硅在新能源車中的應(yīng)用加速，隨著800V高壓的到來(lái)，IGBT在新能源車中的核心地位開(kāi)始被動(dòng)搖。

據(jù)Qorvo*現(xiàn)場(chǎng)支持工程師周虎介紹，碳化硅之所以在新能源汽車中更被看好，源于其獨(dú)有的技術(shù)特性。碳化硅器件導(dǎo)通后的特性類似于電阻，且導(dǎo)通阻抗相比硅基IGBT更低，其損耗模型為P=I2*R，在較小功率或較小電流應(yīng)用中，其損耗小于IGBT，因此碳化硅的這一優(yōu)點(diǎn)更符合小型轎車的應(yīng)用場(chǎng)景。而且碳化硅的熱傳遞性非常好，且絕緣能力強(qiáng)，這些特性非常適合高功率的應(yīng)用。除此之外，碳化硅器件的開(kāi)關(guān)頻率可以做得更高，有利于減小磁性器件的匝數(shù)并減小體積，也有利于減小濾波電容和母線電容的用量。可以幫助客戶減小系統(tǒng)尺寸并減少成本，提高功率密度。

數(shù)據(jù)來(lái)源：網(wǎng)絡(luò)整理

目前，業(yè)界為了兼容全級(jí)別車型快充功能開(kāi)始推動(dòng)800V電氣架構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)在功率相同的情況下，通過(guò)抬高電池電壓，減少流過(guò)的電流，減少發(fā)熱損耗，以提高汽車的續(xù)航里程。中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體所教授級(jí)*工程師鈕應(yīng)喜介紹，750V以下的應(yīng)用場(chǎng)景中，硅基IGBT和碳化硅功率器件性能差距不大，二者存在的競(jìng)爭(zhēng)主要來(lái)自成本。但由于IGBT在高壓場(chǎng)景中性能會(huì)下降很多，800V高壓的應(yīng)用場(chǎng)景成為適用高電壓環(huán)境碳化硅的主要“秀場(chǎng)”，大大動(dòng)搖了IGBT的地位。

碳化硅上車是“大膽且冒險(xiǎn)的操作”

然而，碳化硅“上車”看似動(dòng)搖了IGBT的地位，同時(shí)也是一個(gè)大膽且冒險(xiǎn)的操作，從某種意義上而言，碳化硅在短時(shí)間內(nèi)很難撼動(dòng)IGBT的“江湖地位”。

復(fù)旦大學(xué)工程與應(yīng)用技術(shù)研究院研究員雷光寅表示，碳化硅作為新技術(shù)，從零到一的階段需要一段時(shí)間的磨合期。雖然，特斯拉在2018年便在新能源汽車中采用了碳化硅，但實(shí)際上“這是一個(gè)非常大膽且冒險(xiǎn)的操作”。此前，多方預(yù)測(cè)顯示，碳化硅技術(shù)將于2025年左右才能達(dá)到上車標(biāo)準(zhǔn)，而特斯拉卻將這一時(shí)間大大提前。“這是由于特斯拉并非傳統(tǒng)車企，而是一家科技公司。采用碳化硅上車的方式來(lái)提升公司的科技感，從而市值提升，是一個(gè)*且大膽的方案，但真正的車企并不能將特斯拉作為一個(gè)典型的案例來(lái)學(xué)習(xí)。”雷光寅表示。盡管距離碳化硅上車已經(jīng)歷4年，但如今達(dá)到車規(guī)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的碳化硅沒(méi)有多少，且仍需要一定時(shí)間磨合才可大規(guī)模達(dá)到車規(guī)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

成本的制約使碳化硅技術(shù)往往只能用在出貨量較小的高端車型中。雷光寅向《中國(guó)電子報(bào)》記者表示：“雖然碳化硅本身價(jià)格相比較于硅IGBT相對(duì)*，但是新材料、新技術(shù)往往需要更多的宣傳力度，這部分額外成本也會(huì)增加碳化硅新能源汽車自身的成本。相比較于常規(guī)車型而言，高端車型有議價(jià)優(yōu)勢(shì)，因此高端車型中采用碳化硅的比例會(huì)更高。其次，碳化硅新能源汽車屬于新技術(shù)，在前期的發(fā)展過(guò)程中需要有磨合期，在這過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)一些問(wèn)題。而高端車型體量較小，若出現(xiàn)問(wèn)題進(jìn)行召回?fù)p失也比較小。以上兩點(diǎn)原因也導(dǎo)致了現(xiàn)階段碳化硅在新能源汽車領(lǐng)域難以大規(guī)模普及，短時(shí)間內(nèi)也難以替代IGBT的‘江湖地位’。”

周虎表示，不少碳化硅企業(yè)開(kāi)始嘗試通過(guò)增加晶圓面積來(lái)解決碳化硅成本方面的痛點(diǎn)，將傳統(tǒng)的4英寸或6英寸晶圓提升至8英寸甚至未來(lái)12英寸的晶圓。這是由于不同晶圓面積的切割成本相似，在大尺寸的晶圓上能夠切割出更多的die片，從而可以有效降低die片單位成本。但是，在提升晶圓面積的同時(shí)，如何保證良率是目前需要解決的挑戰(zhàn)，目前良率相對(duì)穩(wěn)定的依舊是6英寸及以下的晶圓。

此外，800V高壓作為碳化硅的主要“秀場(chǎng)”，在實(shí)施過(guò)程中也面臨著很多挑戰(zhàn)。周虎表示，800V高壓在實(shí)施的過(guò)程中，需要注意以下潛在安全風(fēng)險(xiǎn)：首先，電壓提升至800V對(duì)于汽車“三電”系統(tǒng)的安全性也帶來(lái)了很多挑戰(zhàn)，空調(diào)壓縮機(jī)、DCDC直流變換器、OBC車載充電機(jī)等各項(xiàng)應(yīng)用場(chǎng)景必須能滿足在800V高電壓平臺(tái)上的安全工作。其次，隨著電壓的提升，平臺(tái)的絕緣問(wèn)題也需要加強(qiáng)，否則會(huì)發(fā)生漏電的情況。最后，由于高電壓是通過(guò)很多電池串聯(lián)實(shí)現(xiàn)的，在高壓及大電流工作環(huán)境下如何保證電池的安全，如何合理計(jì)算電池整體的續(xù)航里程并保證電池的使用壽命也需要更多關(guān)注。

代際之爭(zhēng)沒(méi)有*贏家

事實(shí)上，在這場(chǎng)“代際”之爭(zhēng)中，沒(méi)有*的贏家。未來(lái)，二者在新能源汽車市場(chǎng)中的合作關(guān)系遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。

據(jù)了解，特斯拉將碳化硅用量砍掉75%，并不意味著這部分的應(yīng)用將完全放棄碳化硅，而是采用碳化硅+IGBT的組合方式，這一方式也被視為最具成本效益的解決方案之一。

安森美中國(guó)汽車市場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用經(jīng)理彭超介紹，目前在高壓雙電驅(qū)應(yīng)用里，會(huì)存在碳化硅和IGBT的“高低搭配”整車系統(tǒng)，既能發(fā)揮碳化硅適用于大功率電驅(qū)的性能優(yōu)勢(shì)，也能發(fā)揮IGBT在低功率電驅(qū)應(yīng)用中的性價(jià)比優(yōu)勢(shì)，可謂一舉兩得。

意法半導(dǎo)體公司執(zhí)行副總裁、功率晶體管產(chǎn)品部總經(jīng)理Edoardo Merli認(rèn)為，很多電動(dòng)車開(kāi)始向雙電機(jī)技術(shù)發(fā)展，使得汽車系統(tǒng)部件的重量能夠均勻分配、縮小尺寸，還能使車擁有第二個(gè)備用驅(qū)動(dòng)。在這一技術(shù)下，會(huì)同時(shí)用到碳化硅和硅功率器件，且都發(fā)揮重要作用。例如，碳化硅器件可以應(yīng)用在低負(fù)載條件下，如WLTP驅(qū)動(dòng)循環(huán)中，再用硅器件提升車輛的加速性能，二者各司其職，能夠共同縮小逆變器尺寸，更具商業(yè)價(jià)值。

中信證券數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)，2025年碳化硅+IGBT的雙電驅(qū)車型占比將達(dá)到54%。

未來(lái)，二者在新能源汽車市場(chǎng)的占比將處于一種動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。雷光寅認(rèn)為，未來(lái)新能源汽車是大趨勢(shì)，是增量市場(chǎng)。隨著碳化硅技術(shù)的不斷完善，會(huì)取代一部分IGBT市場(chǎng)，但是不會(huì)完全取代。在碳化硅市場(chǎng)增長(zhǎng)的同時(shí)，硅基IGBT的市場(chǎng)同樣也會(huì)增長(zhǎng)。碳化硅在技術(shù)相對(duì)成熟后，未來(lái)將在新能源汽車領(lǐng)域保持40%～50%的市場(chǎng)占有率，而IGBT將會(huì)保持50%～60%的市場(chǎng)占有率，在總體市場(chǎng)份額不斷攀升的情況下，形成動(dòng)態(tài)平衡的關(guān)系。

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