800V“绝配”碳化硅

10月，华尔街日报报道称，全球汽车行业正在投资数十亿美元用于碳化硅(SiC)芯片。

例如通用汽车，其副总裁希尔潘·阿明(Hilpan Amin)表示:“电动汽车用户追求更长的续航里程，我们将碳化硅视为电力电子设计中的重要材料。”

在说这话之前，通用汽车已经与总部位于北卡罗来纳州达勒姆的Wolff Speed达成协议，使用后者生产的碳化硅器件。

相辅相成，碳化硅的崛起与汽车行业正在推广的800V高压平台系统“绝配”。随着800V高压平台的趋势临近，业界预测未来几年随着800V平台的大规模登板，SiC功率器件将进入快速爆发阶段。

为什么这么说？因为，在800V以上的平台上，原有的硅基IGBT芯片已经达到了材料极限，而碳化硅具有耐高压、耐高温、高频的优势，对于IGBT来说无疑是最佳的替代方案。

碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)作为第三代功率半导体材料，用于更高阶的高压功率元件和高频通信元件，代表了5G时代的主要材料。尤其是碳化硅，可以形容为“千宠合一”的集合。

当然，碳化硅面临的主要挑战之一是其高昂的价格。然而，如何保证使用碳化硅芯片实现的成本节约效益，盖过碳化硅芯片生产成本高的不利因素，成为当前最重要的任务。

正所谓榜样的力量是无穷的，就像特斯拉所做的一样——特斯拉在电源控制芯片中使用碳化硅已经有几年了，效果是减少能量损失，制造出更强大的发动机，提高续航里程。从TCO(总拥有成本)来看，自行车的成本下降了很多。

事实上，在SiC+800V火热的当下，碳化硅到底做到了800V还是800V还不清楚。我们可以肯定的是，碳化硅正在取代IGBT成为主流。

碳化硅的优势

价格方面，目前SiC的国际价格是相应硅基产品的5-6倍，并且每年以10%的速度递减。据预测，随着未来2~3年市场供应量的增加，预计价格达到相应硅基产品的2~3倍时，系统成本降低和性能提升带来的优势将推动SiC逐步取代硅基IGBT等产品。

根据华尔街日报的一份报告，“研究人员估计，根据电动汽车的类型，碳化硅相关技术可以帮助汽车节省750美元的电池成本。”也有人估算，最终使用SiC将使成本降低2000元左右。但碳化硅材料的成本已经接近硅基材料，估计还需要几年时间。

碳化硅价格高的原因很简单，因为它很难制造。碳化硅为什么这么难制造？可以说，钻石有多硬，就有多硬。所以短期内碳化硅的制造成本仍然很高。

但是，碳化硅的优势是非常明显的。比如体积缩小就是其中之一。丰田碳化硅部件的体积比硅基部件小80%。此外，据相关分析数据显示，在续航方面，与使用硅基芯片的电动汽车相比，搭载SiC芯片的电动汽车行驶里程平均延长了6%。

举个国内的例子，比亚迪韩EV的SiC模块比同功率的硅小一半以上，功率密度翻倍。此外，根据比亚迪的计划，到2023年，比亚迪旗下的所有电动汽车将完全用碳化硅功率半导体取代IGBT。碳化硅的趋势真的不可阻挡。

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但是，说到碳化硅的大规模应用，就要从特斯拉说起了。

2018年，特斯拉在Model 3中首次用碳化硅模块替换了IGBT模块。在相同功率水平下，碳化硅模块的封装尺寸明显小于硅模块，开关损耗降低了75%。而且转换后用SiC模块代替IGBT模块，系统效率可以提高5%左右。

当然，从成本上来说，这并不划算。因为变频器的功率器件换成了IGBT的碳化硅，采购成本上涨了近1500元。但是因为整车效率的提高，电池的装机量有所下降，从电池方面节约了成本。

从发展历史来看，2011年推出了世界上第一个碳化硅功率半导体SiC MOSFET。在此之前，美国Cree公司有近20年的研发历程，可谓“难产”。十年后，SiC终于迎来了“爆发元年”。

科锐首席执行官格雷格·洛也证实，该公司有望在2022年初建成全球最大的碳化硅工厂，使其能够充分利用未来几十年的增长机遇。

在8寸时代到来之前，供需不平衡。

在生产工艺上，目前碳化硅的主要生产尺寸是6英寸，也就是150 mm，然而行业进步很快。8月11日，意法半导体(st)宣布其位于瑞典的诺尔雪平工厂已经制造出第一批8英寸碳化硅晶片。

据悉，st首批8英寸SiC晶片质量非常好，芯片良率和晶位误差缺陷非常低。低缺陷率归因于在SiC硅锭的生长技术中ST的深度积累。此外，ST正在与供应链上下游技术制造商合作，开发独家制造设备和生产工艺。

ST汽车和分立元件产品部门总裁Marco Monti表示，汽车和工业市场正在加速系统和产品的电气化进程，升级到8英寸SiC晶圆将为ST的汽车和工业客户带来巨大优势。

从6英寸到8英寸，这也代表了电力电子芯片轻量化和能效提升的又一步。不过，虽然8寸(200mm)生产线已经量产，但要完全进入8寸时代还需要一段时间。

然而现实情况是，市场对碳化硅功率元件的突然需求，进一步造成了碳化硅供应链的全球性短缺。

目前一片碳化硅晶片配两辆电动车。也就是说，以目前全球60万片碳化硅晶片的年产能，最多可以满足120万辆电动车的需求。这还不算充电桩等应用。根据TrendForce集邦咨询研究，预计2025年全球对6英寸SiC晶圆的需求将达到169万片。

再看特斯拉。2020年，特斯拉全球交付近50万辆电动汽车；今年上半年，交付量已经达到38.6万辆。到今年年底，预计年交付量至少75万辆。换句话说，目前全球的碳化硅晶圆产能，在遇到特斯拉之后，已经所剩无几。

那么，全球碳化硅晶片的主要玩家是谁呢？按2020年上半年出货量计算，科锐占据全球45%的市场份额，日本罗马旗下的SiCrystal占据20%，II-VI占据13%。中国企业的市场份额仍然较低，田可何达占5.3%，山东田玉娥占2.6%。

从碳化硅整个产业链来看，SiC衬底、EPI外延片、器件、模块等主要环节基本都被国外垄断。Yole数据显示，科锐、英飞凌、罗马约占SiC市场份额的90%。

这里普及一下，有两大工艺是SiC器件制造成本中的重要组成部分。其中，SiC衬底的成本约占总成本的47%，SiC外延的成本占23%。然而，SiC衬底的制备受到SiC晶体生长速度慢、过程控制困难、生长类型多、切割困难等诸多问题的限制，全球产能一直处于较低水平。

基板方面，国际主流从4英寸变成了6英寸，科锐作为基板的主要供应商，开发了8英寸的基板。国内主要的衬底供应商有田可何达、山东田玉娥、通光晶体等，可以提供3~6英寸的单晶衬底。技术层面上，国产SiC以4寸为主，6寸基板还有待突破。

外延片方面，国内厦华瀚天成、东莞天宇、广金已经可以提供4英寸/6英寸SiC外延片。目前，6英寸碳化硅外延片可在当地供应。当然，从整体情况来看，未来供需失衡将是主流。

800伏“第一年”

其实碳化硅+800V是一起来的。我们也可以说，如果2021年是碳化硅的“元年”，那么2022年就是800V V的“元年”。

在这次广州车展上，我们看到800V正在成为一种趋势。比亚迪E平台3.0、东风蓝兔、吉利海阔天空架构、现代E-GMP、奔驰EVA、通用Autoenergy平台都选择800V高压平台，这绝非偶然。

从量产时间来看，未来一年内各大车企基于800V系统的新车将陆续上市，虽然真正的800V产品预计在2024年左右。

具体来说，在广州车展上首次亮相的Xpeng Motors全新SUV小鹏G9首次采用了800V高压SiC平台。据悉，Xpeng Motors还将铺设国内首批量产的480kW高压超级充电桩，实现充电5分钟跑200公里的目标。

同样，长城沙龙汽车首款车型美奇龙也支持800V超级快充，峰值电流高达600A，充电10分钟，CLTC可续航401公里。还有零跑，其800V平台将于2024年第四季度量产。广汽还发布了万城万充研发的480kW高压充电桩。

据相关预测，2023-2025年国内800V行业复合增长率有望超过70%，2025-2030年将进入稳定增长阶段，复合增长率约为20%。

那么，为什么800V架构会成为主流呢？还是因为800V架构解决了两大需求痛点，一是大幅提升充电性能，二是提升整车运行效率。

800V平台下，可以用更细的充电线。我们知道，在相同的充电功率下，电压高时电流可以低，低电流的导体没有那么粗，导体的电阻热能消耗也减少了。如果使用原有的400V充电线尺寸，可以提高充电功率。

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当然，在800V高压充电下，电池本身的串并联配置也必须重新调整，即电池组的电压也要相对提升到800V，否则会因充电电流大而烧毁。此外，电力驱动、电力电子设备、充电系统等。还需要采用800V系统。

整车运行效率越高，意味着电流不变时，电池电压越高，电机功率越大，电机驱动效率越高。所以800V高压平台很容易实现高功率和扭矩，以及更好的加速性能。

然而，虽然SiC+800V技术的发展为新能源汽车和未来的出行描绘了美好的前景，但仍然难以落地。对于很多车企来说，在没有配套基础设施的前提下，在车展上推出一款800V的产品，更多的是一种概念的召唤，后期还是会面临实际问题。10月，华尔街日报报道称，全球汽车行业正在投资数十亿美元用于碳化硅(SiC)芯片。

例如通用汽车，其副总裁希尔潘·阿明(Hilpan Amin)表示:“电动汽车用户追求更长的续航里程，我们将碳化硅视为电力电子设计中的重要材料。”

在说这话之前，通用汽车已经与总部位于北卡罗来纳州达勒姆的Wolff Speed达成协议，使用后者生产的碳化硅器件。

相辅相成，碳化硅的崛起与汽车行业正在推广的800V高压平台系统“绝配”。随着800V高压平台的趋势临近，业界预测未来几年随着800V平台的大规模登板，SiC功率器件将进入快速爆发阶段。

为什么这么说？因为，在800V以上的平台上，原有的硅基IGBT芯片已经达到了材料极限，而碳化硅具有耐高压、耐高温、高频的优势，对于IGBT来说无疑是最佳的替代方案。

碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)作为第三代功率半导体材料，用于更高阶的高压功率元件和高频通信元件，代表了5G时代的主要材料。尤其是碳化硅，可以形容为“千宠合一”的集合。

当然，碳化硅面临的主要挑战之一是其高昂的价格。然而，如何保证使用碳化硅芯片实现的成本节约效益，盖过碳化硅芯片生产成本高的不利因素，成为当前最重要的任务。

正所谓榜样的力量是无穷的，就像特斯拉所做的一样——特斯拉在电源控制芯片中使用碳化硅已经有几年了，效果是减少能量损失，制造出更强大的发动机，提高续航里程。从TCO(总拥有成本)来看，自行车的成本下降了很多。

事实上，在SiC+800V火热的当下，碳化硅到底做到了800V还是800V还不清楚。我们可以肯定的是，碳化硅正在取代IGBT成为主流。

碳化硅的优势

价格方面，目前SiC的国际价格是相应硅基产品的5-6倍，并且每年以10%的速度递减。据预测，随着未来2~3年市场供应量的增加，预计价格达到相应硅基产品的2~3倍时，系统成本降低和性能提升带来的优势将推动SiC逐步取代硅基IGBT等产品。

根据华尔街日报的一份报告，“研究人员估计，根据电动汽车的类型，碳化硅相关技术可以帮助汽车节省750美元的电池成本。”也有人估算，最终使用SiC将使成本降低2000元左右。但碳化硅材料的成本已经接近硅基材料，估计还需要几年时间。

t的原因……碳化硅价格高很简单，因为它很难制造。碳化硅为什么这么难制造？可以说，钻石有多硬，就有多硬。所以短期内碳化硅的制造成本仍然很高。

但是，碳化硅的优势是非常明显的。比如体积缩小就是其中之一。丰田碳化硅部件的体积比硅基部件小80%。此外，据相关分析数据显示，在续航方面，与使用硅基芯片的电动汽车相比，搭载SiC芯片的电动汽车行驶里程平均延长了6%。

举个国内的例子，比亚迪韩EV的SiC模块比同功率的硅小一半以上，功率密度翻倍。此外，根据比亚迪的计划，到2023年，比亚迪旗下的所有电动汽车将完全用碳化硅功率半导体取代IGBT。碳化硅的趋势真的不可阻挡。

但是，说到碳化硅的大规模应用，就要从特斯拉说起了。

2018年，特斯拉在Model 3中首次用碳化硅模块替换了IGBT模块。在相同功率水平下，碳化硅模块的封装尺寸明显小于硅模块，开关损耗降低了75%。而且转换后用SiC模块代替IGBT模块，系统效率可以提高5%左右。

当然，从成本上来说，这并不划算。因为变频器的功率器件换成了IGBT的碳化硅，采购成本上涨了近1500元。但是因为整车效率的提高，电池的装机量有所下降，从电池方面节约了成本。

从发展历史来看，2011年推出了世界上第一个碳化硅功率半导体SiC MOSFET。在此之前，美国Cree公司有近20年的研发历程，可谓“难产”。十年后，SiC终于迎来了“爆发元年”。

科锐首席执行官格雷格·洛也证实，该公司有望在2022年初建成全球最大的碳化硅工厂，使其能够充分利用未来几十年的增长机遇。

在8寸时代到来之前，供需不平衡。

在生产工艺上，目前碳化硅的主要生产尺寸是6英寸，也就是150 mm，然而行业进步很快。8月11日，意法半导体(st)宣布其位于瑞典的诺尔雪平工厂已经制造出第一批8英寸碳化硅晶片。

据悉，st首批8英寸SiC晶片质量非常好，芯片良率和晶位误差缺陷非常低。低缺陷率归因于在SiC硅锭的生长技术中ST的深度积累。此外，ST正在与供应链上下游技术制造商合作，开发独家制造设备和生产工艺。

ST汽车和分立元件产品部门总裁Marco Monti表示，汽车和工业市场正在加速系统和产品的电气化进程，升级到8英寸SiC晶圆将为ST的汽车和工业客户带来巨大优势。

从6英寸到8英寸，这也代表了电力电子芯片轻量化和能效提升的又一步。不过，虽然8寸(200mm)生产线已经量产，但要完全进入8寸时代还需要一段时间。

然而现实情况是，市场对碳化硅功率元件的突然需求，进一步造成了碳化硅供应链的全球性短缺。

目前一片碳化硅晶片配两辆电动车。也就是说，以目前全球60万片碳化硅晶片的年产能，最多可以满足120万辆电动车的需求。这还不算充电桩等应用。根据TrendForce集邦咨询研究，预计2025年全球对6英寸SiC晶圆的需求将达到169万片。

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再看特斯拉。2020年，特斯拉全球交付近50万辆电动汽车；今年上半年，交付量已经达到38.6万辆。到今年年底，预计年交付量至少75万辆。换句话说，目前全球的碳化硅晶圆产能，在遇到特斯拉之后，已经所剩无几。

那么，全球碳化硅晶片的主要玩家是谁呢？按2020年上半年出货量计算，科锐占据全球45%的市场份额，日本罗马旗下的SiCrystal占据20%，II-VI占据13%。中国企业的市场份额仍然较低，田可何达占5.3%，山东田玉娥占2.6%。

从碳化硅整个产业链来看，SiC衬底、EPI外延片、器件、模块等主要环节基本都被国外垄断。Yole数据显示，科锐、英飞凌、罗马约占SiC市场份额的90%。

这里普及一下，有两大工艺是SiC器件制造成本中的重要组成部分。其中，SiC衬底的成本约占总成本的47%，SiC外延的成本占23%。然而，SiC衬底的制备受到SiC晶体生长速度慢、过程控制困难、生长类型多、切割困难等诸多问题的限制，全球产能一直处于较低水平。

基板方面，国际主流从4英寸变成了6英寸，科锐作为基板的主要供应商，开发了8英寸的基板。国内主要的衬底供应商有田可何达、山东田玉娥、通光晶体等，可以提供3~6英寸的单晶衬底。技术层面上，国产SiC以4寸为主，6寸基板还有待突破。

外延片方面，国内厦华瀚天成、东莞天宇、广金已经可以提供4英寸/6英寸SiC外延片。目前，6英寸碳化硅外延片可在当地供应。当然，从整体情况来看，未来供需失衡将是主流。

800伏“第一年”

其实碳化硅+800V是一起来的。我们也可以说，如果2021年是碳化硅的“元年”，那么2022年就是800V V的“元年”。

在这次广州车展上，我们看到800V正在成为一种趋势。比亚迪E平台3.0、东风蓝兔、吉利海阔天空架构、现代E-GMP、奔驰EVA、通用Autoenergy平台都选择800V高压平台，这绝非偶然。

从量产时间来看，未来一年内各大车企基于800V系统的新车将陆续上市，虽然真正的800V产品预计在2024年左右。

具体来说，在广州车展上首次亮相的Xpeng Motors全新SUV小鹏G9首次采用了800V高压SiC平台。据悉，Xpeng Motors还将铺设国内首批量产的480kW高压超级充电桩，实现充电5分钟跑200公里的目标。

同样，长城沙龙汽车首款车型美奇龙也支持800V超级快充，峰值电流高达600A，充电10分钟，CLTC可续航401公里。还有零跑，其800V平台将于2024年第四季度量产。广汽还发布了万城万充研发的480kW高压充电桩。

据相关预测，2023-2025年国内800V行业复合增长率有望超过70%，2025-2030年将进入稳定增长阶段，复合增长率约为20%。

那么，为什么800V架构会成为主流呢？还是因为800V架构解决了两大需求痛点，一是大幅提升充电性能，二是提升整车运行效率。

800V平台下，可以用更细的充电线。我们知道，在相同的充电功率下，电压高时电流可以低，低电流的导体没有那么粗，导体的电阻热能消耗也减少了。如果使用原有的400V充电线尺寸，可以提高充电功率。

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当然，在800V高压充电下，电池本身的串并联配置也必须重新调整，即电池组的电压也要相对提升到800V，否则会因充电电流大而烧毁。此外，电力驱动、电力电子设备、充电系统等。还需要采用800V系统。

整车运行效率越高，意味着电流不变时，电池电压越高，电机功率越大，电机驱动效率越高。所以800V高压平台很容易实现高功率和扭矩，以及更好的加速性能。

然而，虽然SiC+800V技术的发展为新能源汽车和未来的出行描绘了美好的前景，但仍然难以落地。对于很多车企来说，在没有配套基础设施的前提下，在车展上推出一款800V的产品，更多的是一种概念的召唤，后期还是会面临实际问题。0

所以，虽然说是“科技点亮生活”，但除了800V平台的研发，还意味着电动汽车的很多零部件需要重新开发设计，高压充电网络的布局也是从无到有，离产品的真正普及还有一段距离。理想很丰满，但现实中还是需要耐心等待。0

所以，虽然说是“科技点亮生活”，但除了800V平台的研发，还意味着电动汽车的很多零部件需要重新开发设计，高压充电网络的布局也是从无到有，离产品的真正普及还有一段距离。理想很丰满，但现实中还是需要耐心等待。

标签：特斯拉比亚迪小鹏奔驰世纪

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