作為一種新型半導體材料，碳化硅（SiC）具有高臨界擊穿電場、高熱導率、高介電常數(shù)等優(yōu)點。在高溫、高壓和高頻等極端環(huán)境下具有更好的穩(wěn)定性和可靠性，能提升能源轉(zhuǎn)換效率，降低系統(tǒng)損耗，減小設(shè)備體積。因此，SiC被廣泛應(yīng)用于汽車、電網(wǎng)和可再生能源等領(lǐng)域，新能源汽車應(yīng)用占比達49.9%，是核心市場。

　　復旦大學特聘教授、清純半導體董事長張清純表示：中國碳化硅產(chǎn)業(yè)經(jīng)過2~3年的發(fā)展，國內(nèi)碳化硅材料在全球占比已經(jīng)逐步加大，逐漸成為主流。中國企業(yè)已經(jīng)將SiC外延缺陷做到接近于零，8英寸晶圓在國際上領(lǐng)先，成本下降約40%。國產(chǎn)SiC供應(yīng)商已經(jīng)為國產(chǎn)材料的全面導入做好了準備。我國新能源汽車本來就已經(jīng)處在極度內(nèi)卷的狀態(tài)，SiC成為卷王的“新寵”，那么在過去一年中，國內(nèi)頭部企業(yè)電驅(qū)領(lǐng)域產(chǎn)品卷出了怎樣的浪花？

　　卷技術(shù)：特斯拉大幅優(yōu)化Gen4 SiC電驅(qū)平臺

　　早在2018年，特斯拉就在Model 3上首次采用意法半導體（ST）的650V SiC MOSFET逆變器，相較Model X等采用IGBT的車型實現(xiàn)了5%~8%的效率提升，并在后繼的升級型號中不斷提升性能，技術(shù)日趨成熟。

　　特斯拉SiC逆變器平臺從第一代發(fā)展至今（第四代），主要有以下幾方面的演變：一、只采用了SiC、IGBT兩種功率器件封裝的形態(tài)，兩種工藝平臺；二、盡可能用同一款逆變器去匹配所有車型；三、初代和二代產(chǎn)品采用了成熟的T0247的封裝，實現(xiàn)了超大功率的功率輸出；四、從第三代開始，首次采用新的碳化硅模塊封裝平臺，以及逆變器的平臺，同時兼容IGBT的封裝以及混合模塊的封裝。

　　據(jù)國內(nèi)技術(shù)團隊爆料，特斯拉在Gen4主驅(qū)逆變器中修復了Gen3中潛在的柵級諧振的風險。早在2022年4月，特斯拉發(fā)出召回公告。公告稱由于器件的一致性差異，可能會導致逆變器的損壞。一年后，特斯拉發(fā)布了第四代電驅(qū)，通過拆解對比，我們不難發(fā)現(xiàn)，主要調(diào)整正是來源于碳化硅器件——安裝位置、特殊工藝，這些細微的差別可能會導致碳化硅的開關(guān)特性，尤其是反向二極管的恢復特性的不一致性。如果疊加上它在并聯(lián)回路中的換流環(huán)路的不對稱性，那么在某些工況下就容易激發(fā)出嚴重的柵級諧振。

　　那么特斯拉是如何優(yōu)化工藝，規(guī)避風險呢？致瞻科技功率模塊事業(yè)部副總經(jīng)理徐賀從三個方向進行了分析：第一，更嚴苛的篩選，從SiC器件源頭降低不一致性；第二，優(yōu)化AC輸出回路，降低環(huán)路的不對稱性；第三，大幅優(yōu)化平臺結(jié)構(gòu)。

　　尤其是第三點，特斯拉做了相當大量的工作。第四代平臺內(nèi)構(gòu)更短，能有效降低50%以上的雜感；Gen4將母線電容芯子直接灌封到逆變器的殼體里面，與高壓接插件等一體集成，減少工序，降低了BOM的成本；從母線銅排回路設(shè)計角度來看，Gen4最大的改動是將功率器件正負的方向做了調(diào)整，即控制碳化硅芯片的GS的pin角，盡可能遠離交流輸出銅排。如此一下就能夠節(jié)省出來較多的空間進行驅(qū)動回路布局，使整機縱向尺寸大大縮減；電路設(shè)計方向，Gen4平臺集成了更多和功能安全相關(guān)的冗余電路，包括第二個高壓應(yīng)急電源、煙火開關(guān)、電流傳感器，還采用了紅外傳感器的方式去測量器件溫度。

　　即便增加了這么多的電路之后，Gen4的尺寸依然比Gen3平臺更加合理更加緊湊，特斯拉的設(shè)計實力有點過于強悍了。

　　此外，Gen4平臺首先采用了模組的布裝——將釬焊后的封閉式散熱器和功率器件進行燒結(jié)，整體作為一個部裝來輸送到總裝的產(chǎn)線上。與由外殼體、高壓接插件以及母線電容組成的另一個部裝集合在一起。焊接母排、PCB板后基本完成了。相比Gen3的串行組裝流程，效果好、節(jié)拍短，大幅度提升良品率。

　　去年年初，特斯拉宣稱：在下一代主驅(qū)逆變器上，會減少75%的碳化硅使用量，引起了行業(yè)不小的震動。但據(jù)專業(yè)人士分析，若要實現(xiàn)該目標，需要引入新的混合應(yīng)用技術(shù)來保證輕載損耗。換句話說，特斯拉很有可能已經(jīng)掌握了新的混合器件技術(shù)，但這絕不代表特斯拉會拋棄碳化硅。

　　卷成本：吉利把11個部件塞進了SiC電驅(qū)系統(tǒng)

　　得益于碳化硅的高耐壓性與低導通損耗，高壓充電平臺從400V一躍迎來“800V+”時代。其中最重要的部件升級就是電驅(qū)系統(tǒng)。近年來電驅(qū)功率正從200kW區(qū)間逐步向250kW、300kW的方向發(fā)展。目前市場上有大量集成電驅(qū)解決方案，從最初的三合一逐步往六合一、七合一方向發(fā)展。但今年吉利最新發(fā)布的集成電驅(qū)把這一數(shù)字提升到了十一。

　　吉利“十一合一”智能電驅(qū)系統(tǒng)將傳統(tǒng)的三大件、電機、減速器、MCU、VCU、HBMS、LBMS、OBC、DC/DC、PDU、TMS、EVCC（國外的充電模塊）等11個部件融于一體，體積減少30%，重量減輕25%，同級效率90.04%，核心零件僅79.8kg。

　　如何在保證性能的前提下提高集成度，吉利新能源中心電驅(qū)系統(tǒng)部總工程師紀小莊認為關(guān)鍵在于吉利的高集成輕量化技術(shù)。該技術(shù)對電驅(qū)的革新非常全面，從油冷、一體化壓鑄、EMC防護、NVH優(yōu)化、整車動力控制、智能化等角度均有完整的升級方案。僅EMC防護這一項中，吉利就采用了多級濾波控制技術(shù)、高低壓隔離、多頻段抑制、PCBA鋁箔設(shè)計等工藝技術(shù)。無論是EMC單體還是整車均已通過國標測試。

　　除一些行業(yè)趨同的發(fā)展外，吉利在大量細節(jié)中創(chuàng)新探索。比如小功率扁線電機、磁缸分段、低速變載算法、低摩擦軸承等。

　　電驅(qū)的發(fā)展影響著整車的“能耗、質(zhì)量、性價比、舒適性”。隨著碳化硅的加入，充電技術(shù)將補上純電汽車補能的短板。紀小莊表示，在500公里續(xù)航的應(yīng)用下，純電車已完全可以替代油車或混動。

　　卷行業(yè)：華為多合一DRIVE ONE電驅(qū)動技術(shù)再破行業(yè)上限

　　去年年底，華為發(fā)布了“DriveONE智能電驅(qū)平臺”，這里面當然有SiC的身影。

　　HUAWEI DriveONE智能電驅(qū)平臺采用了SiC高壓四驅(qū)組合，雙電機的最高功率可達430kW。微控制器（MCU）效率超過99.5%；整體電機的效率達98%，與傳統(tǒng)的硅基IGBT模塊相比，功率損耗降低50%。同時搭載了目前全球量產(chǎn)的最高轉(zhuǎn)速電機，體積比同級別產(chǎn)品減小了10%，重量降低了10余公斤，最高轉(zhuǎn)速達到了22000轉(zhuǎn)。

　　此外，HUAWEI DriveONE智能電驅(qū)平臺還采用了高效SiC高壓同步總成——基于高效SiC模組以及華為電機仿真尋優(yōu)平臺，CLTC工況動力總成效率達到了92%，相較業(yè)界同類方案，高出約1.5%。采用智能油冷2.0技術(shù)，不僅提升了關(guān)鍵部件的有效冷卻，確保系統(tǒng)可靠性的同時還能顯著減小電驅(qū)系統(tǒng)的體積。

　　據(jù)華為數(shù)字能源技術(shù)有限公司智能電動產(chǎn)品線戰(zhàn)略與產(chǎn)品規(guī)劃部融合電控規(guī)劃總監(jiān)李方林介紹，在充電方面，該平臺支持750V和900+V雙電壓適配，在250A的快充樁上就可以實現(xiàn)急速4C充電，7.5分鐘把電池SOC（充電率）從30%提升到80%，續(xù)航增加250km。加上“新一代全液冷超充架構(gòu)”的充電網(wǎng)絡(luò)解決方案，“1秒1公里”，“充電5分鐘，行駛200公里”已成為現(xiàn)實。

　　今年稍早，華為董事、華為數(shù)字能源總裁侯金龍就開公表示，以碳化硅和氮化鎵為代表的第三代功率半導體技術(shù)已經(jīng)成熟，電動汽車全面走向高壓化。華為計劃今年在全國340多個城市和主要公路投入10萬根以上的華為全液冷超充樁。

　　結(jié)束語

　　據(jù)不完全統(tǒng)計，2024年的北京車展中就有超過70款搭載了SiC器件的新車。新能源汽車“含SiC量”越來越高的背后不僅體現(xiàn)了市場對SiC的期望，也隱含著我國SiC產(chǎn)業(yè)鏈的日趨完善的深意。數(shù)據(jù)顯示，2023年全球碳化硅產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值約11.4億美金，同年中國碳化硅外延設(shè)備市場規(guī)模約為13.07億元人民幣，預計到2026年將增至26.86億元。

　　活躍的市場也讓國內(nèi)外頭部企業(yè)抓緊加大投資力度：美國Wolfspeed計劃投入65億美元擴充產(chǎn)能，2023年產(chǎn)能已達207萬片；日本羅姆計劃2021-2027年投入5100億日元（約37億美元）; 安森美投入20億美元擴建產(chǎn)線，計劃到2025年實現(xiàn)年產(chǎn)量117.6萬片；英飛凌總投資50億歐元，預計24年下半年出貨；意法半導體升級了西西里島工廠，并與三安成立合資公司（投資約220億人民幣）。

　　國內(nèi)廠商中，天科合達的年產(chǎn)能為29萬片，預計25年可提升至90萬片；露笑科技年產(chǎn)量為20萬片，預計25年可擴產(chǎn)至30萬片；三安光電、東尼、爍科、科友、同光、天岳先進、中電化合物等企業(yè)均有1.5至2倍的擴產(chǎn)計劃，預計2026年我國碳化硅晶片年產(chǎn)量為468萬片，可滿足3000萬輛新能源汽車需求。

　　目前我國大尺寸SiC MOSFET成品率顯著提升，各細分行業(yè)均涌現(xiàn)出典型代表和應(yīng)用。加工工藝與跨國龍頭企業(yè)的差距正快速縮小。國內(nèi)代表性企業(yè)典型1200V產(chǎn)品系列核心參數(shù)已全面對標國際一流水平，相信在不久的將來，中國有可能主導全球SiC半導體產(chǎn)業(yè)。

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