一直以來，“里程焦慮”、“充電緩慢”都是卡住新能源汽車脖子的關鍵問題，是車企和車主共同的焦慮；但隨著高壓電氣技術的不斷進步和快充時代的到來，將SiC(碳化硅）一詞推向了市場的風口浪尖。

繼2019年4月保時捷Taycan Turbo S 全球首發(fā)三年后，800V高壓超充終于開始了普及。相比于400V，800V帶來了更高的功效，大幅提升功率，實現(xiàn)了15分鐘的快充補能。而構建800V超充平臺的靈魂就是材料的革新，基于碳化硅的新型控制器，便引領著這一輪高壓技術的革命。

碳化硅的優(yōu)勢

是什么讓SiC（碳化硅）引領著這一輪高壓技術的革命？

主要是因為，SiC（碳化硅）擁有更高的臨界雪崩擊穿場強、更大的導熱系數(shù)和更寬的禁帶。

SiC（碳化硅）具有3電子伏特（eV）的寬禁帶，可以承受比硅大8倍的電壓梯度而不會發(fā)生雪崩擊穿，禁帶越寬，在高溫下的漏電流就越小，效率也越高；而導熱系數(shù)越大，電流密度就越高。它的絕緣擊穿場強是Si的10倍：因此與Si器件相比，能夠以具有更高的雜質(zhì)濃度和更薄的厚度的漂移層作出600V～數(shù)千V的高耐壓功率器件。

高耐壓功率器件的阻抗主要由該漂移層的阻抗組成，因此采用SiC可以得到單位面積導通電阻非常低的高耐壓器件。

特別是在理論上，相同耐壓的器件SiC（碳化硅）單位面積的漂移層阻抗可以降低到Si的1/300：而Si材料中，為了改善伴隨高耐壓化而引起的導通電阻增大的問題，主要采用如IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor : 絕緣柵極雙極型晶體管）等少數(shù)載流子器件（雙極型器件）；但是卻存在開關損耗大 的問題，其結果是由此產(chǎn)生的發(fā)熱會限制IGBT的高頻驅(qū)動。

SiC（碳化硅）材料卻能夠以高頻器件結構的多數(shù)載流子器件（肖特基勢壘二極管和MOSFET）去實現(xiàn)高耐壓，從而同時實現(xiàn) "高耐壓"、"低導通電阻"、"高頻" 這三個特性。另外，帶隙較寬，是Si的3倍，因此SiC（碳化硅）功率器件即使在高溫下也可以穩(wěn)定工作。


大功率+高頻+低損耗：難以拒絕的效率吸引力

在整個能源結構升級的過程中，無論是發(fā)電端的光伏、風電，輸電端的高壓柔直，用電 端的新能源車、充電樁、白電、工控，對于電壓和能源轉(zhuǎn)換效率的要求都在不斷提升， 同時在成本和安全約束下也更為看重系統(tǒng)整體的經(jīng)濟性和穩(wěn)定性，因此有著更低開關損 耗、更高可靠度、更輕重量、更小體積以及更為耐高溫的碳化硅器件越來越受到下游環(huán) 節(jié)的關注，尤其是在中壓范圍的光伏、風電、新能源車、充電樁、服務器 UPS 電源、 工控電源、白電，近年來已陸續(xù)開始嘗試使用碳化硅器件替代或部分替代原有的硅基 IGBT。

新能源車是未來碳化硅功率器件的主要驅(qū)動力。作為電力電子轉(zhuǎn)換器件，碳化硅器件在 新能源汽車產(chǎn)業(yè)存在五個主要應用場景,包括電機控制器（電驅(qū)）、車載充電機 OBC、 DC/DC 變換器、空調(diào)系統(tǒng)以及充電樁。對于新能源車而言，碳化硅器件要比硅基器件 有著更低的導通損耗、更高的工作頻率和更高的工作電壓，因此其可提高能源轉(zhuǎn)換效率、 增加續(xù)航里程、提升整體功率、降低車身重量和綜合成本，考慮到未來電動車需要更長 的行駛里程、更短的充電時間和更高的電池容量，在車用半導體中，碳化硅將會是未來 新能源車功率器件升級中非常重要的趨勢。目前，OBC 采用的碳化硅 MOSFET 主流規(guī)格有 1200V/40mΩ，1200V/80mΩ以及 650V/45mΩ、650V/60mΩ；DC/DC 采用的碳化硅 MOSFET 主流規(guī)格為 1200V/160m Ω電控用碳化硅 MOSFET 主流規(guī)格為 1200V/15mΩ。

以主驅(qū)為例，碳化硅解決方案可以在更低損耗情況下獲得更高逆變器效率。碳化硅在整 個負載范圍內(nèi)效率提高 1.4%以上，更低損耗意味著更小的冷卻系統(tǒng)和更長電池續(xù)航時 間。相比硅基 IGBT，碳化硅電控系統(tǒng)體積更小、頻率更高、開關損耗更低，可以使電 驅(qū)系統(tǒng)在高壓高溫下保持高速穩(wěn)定運行。

簡單而言，碳化硅 MOSFET 方案可顯著節(jié)省電動汽車成本： （1）節(jié)省電池成本：在 EV 平均工作環(huán)境下，碳化硅逆變器的效率比 IGBT 逆變器高 3.4%（負載 15%）。與基于硅基 IGBT 的 85kWh 電池電動汽車相比，碳化硅版本僅需 要 82.1kWh，按照每千瓦時 150 美元的電池成本，ST 測算案例下搭載碳化硅逆變器的 電池成本節(jié)省約 435 美元。 （2）散熱器：散熱器的大小必須根據(jù)最大工作條件下的功率耗散而定。ST 測算案例下 峰值負載時的逆變器耗散 （250Arms）：與 IGBT 版本相比，基于碳化硅的逆變器只需 耗散 61%的熱量，碳化硅 MOSFET 允許體積更小、更低成本的散熱器。

對于新能源車而言，一方面是電池成本的節(jié)?。ㄩL續(xù)航），一方面也是 800V 快充（快速 充電）的需求，共同催生了對碳化硅器件的更換需求?？斐浼夹g的核心在于提高整車充 電功率，也就需要提高整車充電功率，基于功率=電流*電壓的公式，提升功率只有加大 充電電流或提高充電電壓兩種方式，而充電電流加大意味著更粗更重的線束、更多的發(fā) 熱量以及更多附屬設備瓶頸，而充電電壓提升則有更大的設計自由度，這直接推動了 400V 電壓平臺向 800V 電壓平臺轉(zhuǎn)換。

而碳化硅 MOSFET 在 800V 高壓電驅(qū)系統(tǒng)應用中具備幾乎無可替代的優(yōu)勢，最核心的 原因是電壓升高后硅基 IGBT 的導通損耗、開關損耗都有顯著上升，成本升+效率降將 使得 800V 的實際經(jīng)濟性大為降低，因此在 800V 電壓平臺中，企業(yè)更傾向選擇高頻低 損耗的碳化硅 MOSFET 方案，因此目前 800V 電控乃至配套的 OBC 大部分已選用或 規(guī)劃采用碳化硅 MOSFET 器件。平臺級別的規(guī)劃有現(xiàn)代 E-GMP、通用奧特能（Ultium） -皮卡領域、保時捷 PPE、路特斯 EPA，除保時捷 PPE 平臺車型未明確搭載碳化硅 MOSFET 外（首款車型為硅基 IGBT），其他車企平臺均采用碳化硅 MOSFET 方案。 800V 平臺主要有長城沙龍品牌機甲龍、北汽極狐 SHI 版、理想汽車 S01 和 W01、小 鵬 G9、寶馬 NK1、長安阿維塔 E11 均表示將搭載 800V 平臺，此外比亞迪、嵐圖、廣 汽埃安、奔馳、零跑、一汽紅旗、大眾等也表示 800V 技術在研。


功率器件的“輝煌時代”

在SiC（碳化硅）強大的性能優(yōu)勢下，其也終于迎來“輝煌時代”：據(jù)最近Yole給出的數(shù)據(jù)顯示：SiC（碳化硅）元件將從2021年10.9億美元成長到2027年63億美元，年復合成長率達到34%。

無論是當代的新勢力車企代表特斯拉還是傳統(tǒng)車企代表通用汽車，它們在2020年和2021年有多款新發(fā)布的電動車都在變壓器上采用SiC（碳化硅）元件：根據(jù)Yole調(diào)查：特斯拉創(chuàng)紀錄的出貨量幫助SiC（碳化硅）元件在2021年超越10億美元銷售額的關卡。

如今通用汽車和特斯拉等汽車制造商正加大投資，讓采用SiC（碳化硅）元件的電動車在充電后，能行駛更遠，并且電池耗盡時，也可更快地充電。

簡單來說，SiC（碳化硅）元件正在推動電動車走向未來。SiC（碳化硅）元件正在爭奪電動車傳動系統(tǒng)核心的80%左右的功率電子裝置，包括將儲存在汽車電池組中的直流電轉(zhuǎn)換為車輛電動馬達所需的交流電之主牽引逆變器（Main Traction Inverter）；SiC晶片還在電動車其他部分爭取地位，例如車載充電器和直流-直流轉(zhuǎn)換器。

Yole認為為了滿足長續(xù)航里程的需求，800V電動車是實現(xiàn)快速直流充電的解決方案，這就是1200V SiC元件可以發(fā)揮關鍵作用的地方。

800V高壓快充，從工程到商業(yè)化的障礙

這個行業(yè)真正的出發(fā)點不是技術，解決高壓快充的技術難點問題不大，而在于規(guī)模化的元器件以及上下游的配套，并帶來的成本障礙。

現(xiàn)階段碳化硅價格太貴，晶體的成長速度慢、良品率低，這些問題無法很好解決，它的成本在短時間內(nèi)就不會降下來。以及，碳化硅生產(chǎn)還將面臨國內(nèi)能否自主可控的問題，碳化硅功率器件大量依靠海外市場，且在技術上我國與歐美日本等國家相比仍有差距。根據(jù)Omdia的數(shù)據(jù)，2021年意法半導體（ST）占據(jù)碳化硅功率器件40%的市場份額，其余如Wolfspeed（科銳Cree旗下）、羅姆（ROHM）、英飛凌也分別占據(jù)10%+的份額，呈現(xiàn)一超多強的市場格局。國內(nèi)廠商入局相對較晚，華潤微、士蘭微、斯達半導、時代電氣、泰科天潤、綠能芯創(chuàng)、上海瞻芯、中電科55所及13所等正積極布局碳化硅器件，例如小鵬G9是采用斯達半導的碳化硅功率模塊用于搭配800V架構。

據(jù)了解，從保時捷、沃爾沃，到阿維塔、小鵬，目前支持800V高壓快充的車型均為高端車型，基本都在30萬以上。正由于成本的限制，目前800V高壓快充技術也難以大規(guī)模上車應用。

此外，800V所使用的用電設備也面臨高成本的問題。目前國內(nèi)普通的充電樁，在不計入其他費用的情況下，建設成本高達13.4萬元/樁，而此前保時捷對外公布的800V充電樁的成本高達7位數(shù)。

不管是由車企還是電力企業(yè)布局，最后依然要看市場的選擇，一方面需要探索盈利的商業(yè)模式；另外一方面，標準的統(tǒng)一還需要一個過程。目前，中國和德國、日本等一些電動汽車比較領先的國家進行了充分的協(xié)調(diào)、溝通，形成了一個ChaoJi充電標準,這是一個可以在全世界通用的標準。

根據(jù)中信證券的預計，到2025年超充站保有量滲透率達到公共充電站17%左右，預計形成500億左右的市場空間。也有觀點認為，從理論的提出到實踐，再到規(guī)模化后的成本平衡，或許800V真正大規(guī)模普及起碼需要五年以后。但盡管如此，對于車企來說，前瞻性的技術規(guī)劃和落地很有必要，畢竟800V高壓快充代表著新能源車的又一次進步，這也是給競爭日益激烈的新能源車企的又一次領跑或超車的機遇。