碳化硅和IGBT，新能源汽車功率器件怎選？

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2023-04-08 07:20:05 567

近期，特斯拉宣布將大砍碳化硅用量75%的消息沖上了熱搜。這一消息，也讓業內對于碳化硅究竟能否替代IGBT在新能源汽車中的地位，產生了懷疑。曾被“捧上天”的碳化硅是否真的要“跌落神壇”？碳化硅在新能源汽車領域究竟有沒有替代IGBT的能力？在這場“代際”之爭中，誰會是真正的贏家？

碳化硅“動搖”IGBT地位

在2018年特斯拉將碳化硅應用到其Model 3車型中以前，新能源車中一直使用的功率IC是IGBT。彼時，IGBT是新能源車電控系統的核心組成部分，被譽為新能源車的“心臟”。但隨著特斯拉用48顆碳化硅芯片取代原有的84顆IGBT后，碳化硅在新能源車中的應用加速，隨著800V高壓的到來，IGBT在新能源車中的核心地位開始被動搖。

據Qorvo*現場支持工程師周虎介紹，碳化硅之所以在新能源汽車中更被看好，源于其獨有的技術特性。碳化硅器件導通后的特性類似于電阻，且導通阻抗相比硅基IGBT更低，其損耗模型為P=I2*R，在較小功率或較小電流應用中，其損耗小于IGBT，因此碳化硅的這一優點更符合小型轎車的應用場景。而且碳化硅的熱傳遞性非常好，且絕緣能力強，這些特性非常適合高功率的應用。除此之外，碳化硅器件的開關頻率可以做得更高，有利于減小磁性器件的匝數并減小體積，也有利于減小濾波電容和母線電容的用量。可以幫助客戶減小系統尺寸并減少成本，提高功率密度。

數據來源：網絡整理

目前，業界為了兼容全級別車型快充功能開始推動800V電氣架構，以實現在功率相同的情況下，通過抬高電池電壓，減少流過的電流，減少發熱損耗，以提高汽車的續航里程。中國科學院半導體所教授級*工程師鈕應喜介紹，750V以下的應用場景中，硅基IGBT和碳化硅功率器件性能差距不大，二者存在的競爭主要來自成本。但由于IGBT在高壓場景中性能會下降很多，800V高壓的應用場景成為適用高電壓環境碳化硅的主要“秀場”，大大動搖了IGBT的地位。

碳化硅上車是“大膽且冒險的操作”

然而，碳化硅“上車”看似動搖了IGBT的地位，同時也是一個大膽且冒險的操作，從某種意義上而言，碳化硅在短時間內很難撼動IGBT的“江湖地位”。

復旦大學工程與應用技術研究院研究員雷光寅表示，碳化硅作為新技術，從零到一的階段需要一段時間的磨合期。雖然，特斯拉在2018年便在新能源汽車中采用了碳化硅，但實際上“這是一個非常大膽且冒險的操作”。此前，多方預測顯示，碳化硅技術將于2025年左右才能達到上車標準，而特斯拉卻將這一時間大大提前。“這是由于特斯拉并非傳統車企，而是一家科技公司。采用碳化硅上車的方式來提升公司的科技感，從而市值提升，是一個*且大膽的方案，但真正的車企并不能將特斯拉作為一個典型的案例來學習。”雷光寅表示。盡管距離碳化硅上車已經歷4年，但如今達到車規級標準的碳化硅沒有多少，且仍需要一定時間磨合才可大規模達到車規級標準。

成本的制約使碳化硅技術往往只能用在出貨量較小的高端車型中。雷光寅向《中國電子報》記者表示：“雖然碳化硅本身價格相比較于硅IGBT相對*，但是新材料、新技術往往需要更多的宣傳力度，這部分額外成本也會增加碳化硅新能源汽車自身的成本。相比較于常規車型而言，高端車型有議價優勢，因此高端車型中采用碳化硅的比例會更高。其次，碳化硅新能源汽車屬于新技術，在前期的發展過程中需要有磨合期，在這過程中會出現一些問題。而高端車型體量較小，若出現問題進行召回損失也比較小。以上兩點原因也導致了現階段碳化硅在新能源汽車領域難以大規模普及，短時間內也難以替代IGBT的‘江湖地位’。”

周虎表示，不少碳化硅企業開始嘗試通過增加晶圓面積來解決碳化硅成本方面的痛點，將傳統的4英寸或6英寸晶圓提升至8英寸甚至未來12英寸的晶圓。這是由于不同晶圓面積的切割成本相似，在大尺寸的晶圓上能夠切割出更多的die片，從而可以有效降低die片單位成本。但是，在提升晶圓面積的同時，如何保證良率是目前需要解決的挑戰，目前良率相對穩定的依舊是6英寸及以下的晶圓。

此外，800V高壓作為碳化硅的主要“秀場”，在實施過程中也面臨著很多挑戰。周虎表示，800V高壓在實施的過程中，需要注意以下潛在安全風險：首先，電壓提升至800V對于汽車“三電”系統的安全性也帶來了很多挑戰，空調壓縮機、DCDC直流變換器、OBC車載充電機等各項應用場景必須能滿足在800V高電壓平臺上的安全工作。其次，隨著電壓的提升，平臺的絕緣問題也需要加強，否則會發生漏電的情況。最后，由于高電壓是通過很多電池串聯實現的，在高壓及大電流工作環境下如何保證電池的安全，如何合理計算電池整體的續航里程并保證電池的使用壽命也需要更多關注。

代際之爭沒有*贏家

事實上，在這場“代際”之爭中，沒有*的贏家。未來，二者在新能源汽車市場中的合作關系遠遠大于競爭關系。

據了解，特斯拉將碳化硅用量砍掉75%，并不意味著這部分的應用將完全放棄碳化硅，而是采用碳化硅+IGBT的組合方式，這一方式也被視為最具成本效益的解決方案之一。

安森美中國汽車市場現場應用經理彭超介紹，目前在高壓雙電驅應用里，會存在碳化硅和IGBT的“高低搭配”整車系統，既能發揮碳化硅適用于大功率電驅的性能優勢，也能發揮IGBT在低功率電驅應用中的性價比優勢，可謂一舉兩得。

意法半導體公司執行副總裁、功率晶體管產品部總經理Edoardo Merli認為，很多電動車開始向雙電機技術發展，使得汽車系統部件的重量能夠均勻分配、縮小尺寸，還能使車擁有第二個備用驅動。在這一技術下，會同時用到碳化硅和硅功率器件，且都發揮重要作用。例如，碳化硅器件可以應用在低負載條件下，如WLTP驅動循環中，再用硅器件提升車輛的加速性能，二者各司其職，能夠共同縮小逆變器尺寸，更具商業價值。

中信證券數據預測，2025年碳化硅+IGBT的雙電驅車型占比將達到54%。

未來，二者在新能源汽車市場的占比將處于一種動態平衡狀態。雷光寅認為，未來新能源汽車是大趨勢，是增量市場。隨著碳化硅技術的不斷完善，會取代一部分IGBT市場，但是不會完全取代。在碳化硅市場增長的同時，硅基IGBT的市場同樣也會增長。碳化硅在技術相對成熟后，未來將在新能源汽車領域保持40%～50%的市場占有率，而IGBT將會保持50%～60%的市場占有率，在總體市場份額不斷攀升的情況下，形成動態平衡的關系。

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