政策扶持、车企配合叠加新架构升级 碳化硅将加速渗透

据财联社报道，近日，随着多家车企宣布推出800V高压快充车型，碳化硅的热度再次上升。800V架构将为碳化硅的应用带来哪些帮助？碳化硅器件在新能源汽车中的应用趋势是什么？1月18日，在财联社蜜蜂网主办的一场会议上，一位来自半导体协会的高级行业分析师解读了碳化硅领域的政策，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对于促进新的基础设施建设和实现“双碳”目标至关重要；

随着新能源汽车对提高充电效率的强烈需求和800V电压平台的大规模应用，具有高耐压、低损耗特性的碳化硅器件将加速渗透。该政策继续支持第三代半导体，以帮助实现新的基础设施和“双碳”目标。根据历史发展进程，半导体衬底材料可分为三代。以硅为代表的第一代半导体材料，由于其制备工艺成熟，自然储量大，目前应用最为广泛。在功率器件领域，传统的硅基材料正逐渐接近其物理极限，以碳化硅为代表的第三代半导体正在逐渐出现。随着我国新型基础设施建设的部署和“双碳”目标的提出，碳化硅、氮化物等第三代半导体的作用日益凸显。基于碳化硅和氮化镓等第三代半导体材料的电力电子设备是新基础设施的关键核心设备，例如由半绝缘碳化硅衬底制成的氮化镓射频设备，这是5G基站的核心设备之一。在特高压输电、轨道交通、新能源汽车、大数据中心等领域。，碳化硅基肖特基二极管和MOSFET也发挥着重要作用专家介绍“同时，第三代半导体对构建可回收、高效、高可靠性的能源网络具有重要意义。它们可以帮助实现光伏、风电、直流特高压输电、新能源汽车、工业电力、机车牵引和消费电力等领域的高效电能转换，促进绿色低碳在能源发展方面，国家重点研发计划也在不断支持第三代半导体产业的发展。“十三五”期间，国家重点研发项目部署涵盖电力电子、微波射频和光电子三大方向。他们紧跟产业发展的实际需求和进展，在新能源汽车应用、电网应用等多个领域发挥了指导作用。在科技部发布的2020年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设备中的应用”和“新一代碳化硅功率电子器件通用技术标准研究”在内的多个获批项目都与第三代半导体有关。随着碳化硅等宽带隙半导体的发展被纳入“十四五”规划和2035年远景目标纲要，我们预计在“十四五’期间，各地政府也将出台相关激励政策，大力支持第三代半导体产业在教育领域的发展，科学研究、开发、融资、应用等方面，以实现行业的独立性和自主性，“该专家表示。新能源汽车的800V架构将加速碳化硅作为最佳应用场景的渗透。目前，主要的第三代半导体器件包括用于射频领域的氮化物器件、用于电力电子领域的碳化硅器件等。其中，碳化硅功率器件具有最广阔的未来空间。2018年，随着特斯拉在其Model 3车型中成功应用碳化硅器件，示范效应迅速放大，使新能源汽车市场成为碳化硅崛起的来源，相关市场的产值迅速上升。根据第三方市场研究公司TrendForce的数据，2020年碳化硅功率器件的市场规模约为6.7亿美元，预计到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、功率转换系统和非车载充电站。在这些领域，碳化硅器件可以承受更高的电压，提高充电速度和能量转换效率，从而增加电动汽车的续航里程。例如，在电力驱动系统中，传统的方法是……

使用硅基IGBT，而碳化硅器件可以有效地减少10%的能量损失和80%的体积，这有助于新能源汽车的轻量化和内部布局。目前，续航里程和充电速度仍然是制约新能源汽车普及的主要缺点。目前，车企有两种解决方案，一种是增加电池容量，另一种是提高充电效率。“提高电池容量可以缓解里程焦虑，但电池是电动汽车最有价值的部件。电池容量的增加不可避免地会导致边际成本和整车重量的增加，购车成本和整车后续使用的功耗也会相应增加因此，这个方案并不完美。“专家表示，为了提高充电效率，可以增加电流或电压。然而，电流的增加会导致电气系统发热增加，这对电动汽车的散热提出了更高的要求。因此，高压快速充电已成为目前行业中最好的解决方案。2019年，保时捷推出了其首款800V高功率充电全球h电压电气架构，配备800V直流快速充电系统，支持350kW大功率快速充电。2021后，高压快速充电路线在主机制造商中越来越流行。韩国现代、起亚等国际巨头相继发布800V平台，比亚迪、长城、广汽、小鹏、东风等国内主机厂商也纷纷效仿。目前，电动汽车的电压水平通常在200至400V之间。如果提高到800V，意味着电动汽车的所有高压部件和管理系统都需要提高标准， “专家表示，传统的硅基IGBT通常适用于600-700V左右的高压平台。如果总线电压提高到800V，相应的功率器件耐压需要提高到1200V。因此，在高压条件下，碳化硅将成为不可避免的选择。随着各大制造商推出800V高压平台碳化硅的产业发展将得到极大推动。衬底的产能仍然是制约瓶颈爆发的瓶颈，或者2023年至2025年有支持政策和强劲需求。然而，整个碳化硅行业的发展仍处于初级阶段，那么制约其爆发的瓶颈是什么？该专家认为，主要原因是碳化硅的技术壁垒高，尤其是在衬底工艺方面，产能的释放需要时间。从成本分摊的角度来看，碳化硅衬底的成本约占器件总成本的50%。基质的制备需要高技术要求和高行业进入壁垒。上述专家表示，由于晶体生长速度慢、生长过程控制困难以及材料硬度高，碳化硅衬底制备的产率和成本与硅相比仍有显著差距。以长晶体的生长速度为例，目前大多数制造商都使用气相传输方法。这种晶体在大约一周内只能生长大约两厘米厚，而硅棒在2-3天内可以达到大约两米。因此碳化硅的生长速度相对较慢且时间成本相对较高， ”专家表示。尽管Wolfspeed和II-VI等海外领导者正在积极扩大生产，中国也有许多碳化硅项目正在进行中，但专家认为，短期内制约第三代半导体快速应用的瓶颈仍然是衬底产能不足碳化硅的n容量远远不够，也许只够特斯拉采用。尽管许多公司都在积极扩大生产，但释放产能还需要一段时间，”该专家表示。“我个人预计，2023年至2025年间可能会爆发大规模疫情，届时将有更多玩家进入高压平台领域，碳化硅的产能也将相应扩大，因此可能会爆发疫情。”

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