财联社（上海，记者 邱豪）讯，近期，随着众多车企纷纷宣布推出800V高压快充车型，碳化硅的热度再次升温。800V架构对碳化硅的应用究竟会带来哪些助力？碳化硅器件在新能源汽车中的应用趋势又是怎样的？
1月18日，在财联社蜂网主办的会议上，某半导体协会资深产业分析师对碳化硅领域政策进行了解读，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显著，是推动新基建和实现“双碳”目标的关键；伴随新能源汽车对提升充电效率的旺盛需求，以及800V电压平台的批量应用，具有高耐压和低损耗特点的碳化硅器件将加速渗透。
政策持续扶持第三代半导体 助力新基建和“双碳”目标达成
按历史发展进程，半导体衬底材料可为三个代际。第一代半导体材料以硅为代表，因制备工艺成熟、自然界储备量大，目前使用仍最为广泛。而在功率器件领域，传统硅基材料逐渐接近物理极限，以碳化硅为代表的第三代半导体逐渐崭露头角。
随着我国对新型基础建设的布局展开和“双碳”目标的提出，碳化硅和氮化稼等第三代半导体的作用也愈发凸显。
“以碳化硅和氮化镓等第三代半导体材料为基础制备的电力电子器件，是新基建的关键性核心器件，如使用半绝缘型碳化硅衬底制作的氮化镓射频器件，是5G基站的核心装备之一；而在特高压输电、轨道交通、新能源汽车、大数据中心等领域，碳化硅基的肖特基二极管和MOSFET，同样发挥重要作用，”专家介绍称，“同时，第三代半导体对于建成可循环、高效、高可靠性的能源网络意义重大，可以助力实现光伏、风电、直流特高压输电、新能源汽车、工业电源、机车牵引、消费电源等领域电能的高效转换，推动能源绿色低碳发展。”
政策方面，国家重点研发计划也在持续支持第三代半导体产业的发展。“十三五”期间，国家重点研发计划项目部署涵盖了电力电子、微波射频和光电子三个大方向，紧贴产业发展实际需求和进程，对新能源汽车应用、电网应用等多个领域发挥了引导作用。在2020年科技部发布的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装置中的应用”，“新一代碳化硅电力电子器件共性技术标准研究”等多个立项项目均与第三代半导体相关。
“随着碳化硅等宽禁带半导体的发展被写入‘十四五’规划和2035远景目标纲要，我们预计在‘十四五’规划期间，各个地方政府也会相继出台相关鼓励政策，在教育、科研、开发、融资、应用等各个方面，大力支持发展第三代半导体产业，以实现产业的独立自主。”该专家表示。
新能源汽车为最佳应用场景 800V架构将加速碳化硅渗透
目前主要的第三代半导体器件包括应用于射频领域的氮化稼器件、应用于电力电子功率领域的碳化硅器件等，其中又以碳化硅功率器件的未来空间最广。2018年，随着特斯拉在其Model 3车型中对碳化硅器件的成功应用，示范效应迅速放大，使得新能源汽车市场很快成为碳化硅兴起的源泉，相关市场的产值快速崛起。根据第三方市调机构TrendForce集邦咨询数据，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（OBC）、电源转换系统（DC/DC）以及非车载的充电桩。在这些领域，碳化硅器件可以承受更高电压、提升充电速度和电能转换效率，从而增加电动汽车的续航里程。
“比如在电驱动系统中，传统的方式是采用硅基的IGBT，而碳化硅器件可以有效降低10%的能量损耗，同时减少80%的体积，有助于新能源汽车的轻量化和车内的布局。”专家解释称。
当下，续航里程和充电速度仍是制约新能源汽车普及的较大短板。目前车企的解决方案有两种，一是提升电池容量，另一个是提高充电效率。
“提升电池容量是能够缓解里程焦虑的，但电池是电动汽车价值量最高的部件，电池容量的提升势必会导致边际成本和整车重量增加，消费者的购车成本及后续使用中的整车功耗会随之增加，因而这个方案并不是非常完美。”专家表示，对于提升充电效率而言，可以通过提升电流或者电压的方式，但电流提升会导致电气系统发热加剧，从而对电动车散热提出更高要求，所以高压快充成为目前业内的最优解。
2019年，保时捷在全球首次推出800V的高压电气架构，搭载800V直流快充系统，支持350千瓦大功率快充。2021年之后，高压快充路线受到了越来越多主机厂的青睐，韩国现代、起亚等国际巨头先后发布了800V平台，国内比亚迪、长城、广汽、小鹏、东风等主机厂也相继跟进。
“目前电动车的电压水平普遍在200~400V，如果提升到800V，意味着电动车所有的高压元器件以及管理系统都要提高标准，”该专家表示，“传统硅基的IGBT通常适应的高压平台在600~700V左右，如果母线电压提升到800V，对应的功率器件耐压需要提高到1200V，所以在高压条件下，碳化硅会成为必然选择，而随着各大厂商相继推出800V的高压平台，碳化硅的产业化发展势必将得到很大的推动。”
衬底产能仍是制约瓶颈 爆发时点或在2023-2025年
上有支持政策，下有旺盛需求，然而整个碳化硅产业的发展目前仍处于起步阶段，那么制约其爆发的瓶颈何在？该专家认为，主要原因在于碳化硅尤其是衬底环节的技术壁垒较高，产能释放有待时间。
“从成本拆分角度来讲，碳化硅衬底成本约占到器件总成本的50%左右，衬底制备对技术要求比较高，行业准入门槛也高。”上述专家表示，晶体生长速度慢、生长过程难控、材料硬度高等原因，导致目前碳化硅衬底的制备良率和成本，相较于硅仍有不小的差距。
“以长晶速度为例，目前大部分厂商采用的都是气相传输（PVT）法，一周左右晶体只能生长大约两厘米的厚度，相比来说，硅棒2~3天就可以达到两米左右。所以碳化硅的生长速度比较缓慢，时间成本就比较高。”专家说道。
尽管Wolfspeed、II-VI等海外龙头扩产积极，国内也有许多碳化硅项目上马，专家认为，短期内制约第三代半导体快速应用的瓶颈仍将是衬底的产能不足。
“目前全球碳化硅的产能还远远不够，可能仅够特斯拉一家车企采用。尽管有许多公司在积极扩产，但产能释放还需要一定时间，”该专家表示，“个人预计大规模的爆发可能在2023年到2025年这个时间段，届时在高压平台领域会有更多玩家进入，碳化硅的产能也相应开出，所以可能会迎来爆发。”
（王治强 HF013）
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