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碳化硅在汽车领域的火热应用:理性审视其优势与挑战!

2023-09-11 23:11 来源: 中国汽车报网 作者: 赵建国

摘要:近日,智己LS6发布消息称,将于10月正式上市开始交付。而该车型之所以吸引眼球,是因为其是上汽首款搭载准900V双碳化硅高性能平台的新车型。

近日,智己LS6发布消息称,将于10月正式上市开始交付。而该车型之所以吸引眼球,是因为其是上汽首款搭载准900V双碳化硅高性能平台的新车型。

“充电5分钟,续航里程增加200公里。”这是智己LS6900V双碳化硅高性能平台的公开数据。其实,正是因为碳化硅优良的物理特性契合新能源汽车市场发展需求,碳化硅芯片及平台才成为很多新能源汽车新车型的首选。

“速热”的碳化硅

其实,国内已经有多款新能源汽车选择了碳化硅芯片及平台方案,而且大多数新能源车企都看好碳化硅优异的性能。

“碳化硅是一种基于碳和硅的复合半导体材料,无论是电动汽车的快充问题还是续驶问题,有了碳化硅,一些技术难题都会得到破解,车辆性能会实现较大提升。”西安工业大学微电子技术实验室工程师魏冬向《中国汽车报》记者介绍,对于技术要求比消费电子产品更为苛刻的车规级产品,碳化硅恰好契合了这一需求。碳化硅芯片具有“三高一低”特点,即支持高频率、高电压、耐高温,以及低损耗。因此,对于车企而言,碳化硅芯片能降低功率器件的开关损耗与导通损耗,有效提升电动汽车的续驶里程。

法国市场研究公司Yole Développement预测,碳化硅市场将有年平均30%的涨幅,到2025年会超过25亿美元,其中汽车行业将占15亿美元,占据6成以上。

“对于以电能为主的新能源汽车而言,续驶里程的延长、充电时间的缩短、电池容量的提高都是性能的标志,而使用碳化硅则会将使以往多数问题都迎刃而解。”浙江大学新能源协同创新中心研究员林弘昌向记者表示,随着电动汽车保有量的增长,碳化硅功率芯片及平台市场需求大增,碳化硅可以更多用在电动汽车的车载充电器、DC/DC转换器和逆变器上。碳化硅还能助力系统效率的提高,比如在主逆变器里,用碳化硅的模块和IGBT模块相比,能够提高约6%的系统效率。

而且,正是由于碳化硅的良好特性,可以将电动汽车功率器件比传统的功率器件做的体积更小、重量更轻,而性能却更好,这对于电动汽车的空间使用效率的提高至关重要。

投资涌入成新态势

汽车零部件巨头博世曾提出,要推进碳化硅芯片的加快发展。从2021年开始,博世通过复杂的制造工序小规模制造碳化硅芯片,并将其交付整车企业进行验证。2022年,博世的碳化硅芯片进入规模化量产阶段,仅在其位于德国的晶圆厂,就增加了1万多平方英尺的空间用于生产,并且还计划在2023年年底再扩大3万多平方英尺。

同时,安森美近期宣布,其与宝马集团签署长期供货协议,将Elite碳化硅芯片技术用于宝马400V直流母线电动动力传动系统。安森美最新的Elite碳化硅750V M3芯片被集成到一个全桥功率模块中,可提供几百千瓦的功率。

日前,全球知名的芯片巨头意法半导体和国内化合物芯片龙头企业之一的三安光电共同宣布,双方将共同投资228亿元在重庆建立一个新的8英寸碳化硅芯片工厂,将于2025年第四季度投产,预计在2028年全面建成。同时,三安光电还将单独建造和运营一个新的8英寸碳化硅衬底制造厂,用以满足双方合资工厂的衬底需求。

前不久,Wolfspeed透露也在建设200毫米碳化硅晶圆厂,其在纽约州莫霍克谷的晶圆厂融资实现50亿美元。

“全球范围内的碳化硅投资热度仍将继续,背后原因是碳化硅正在受到汽车行业企业和芯片行业企业的高度重视,在一定程度上也能在市场层面产生良好的效益。”林弘昌认为。

而且,国内碳化硅仍有较大降本空间。魏冬表示,碳化硅衬底目前占碳化硅芯片成本的约60%,而目前碳化硅衬底生产工艺仍面临晶体质量、长晶效率、切磨抛的损耗等技术瓶颈,伴随着技术的提升和原材料的国产化,成本将进一步下降。

仍然存在不同看法

与其他新技术一样,行业对碳化硅技术也存在不同的看法。

此前,特斯拉突然宣布,特斯拉的下一代电动汽车平台将减少75%的碳化硅使用量。这是否意味着特斯拉将放弃碳化硅呢?

事实并非如此。据介绍,特斯拉减少使用碳化硅并不是“不想用”,而是不够用。因为目前特斯拉销量的大幅增长,碳化硅有限的产能难以跟上其需求。而且,马斯克声称,“2030年特斯拉电动汽车年产量2000万辆”,如果真能达成这一目标,届时全球碳化硅产量可能都不够特斯拉一家使用。实际上,特斯拉真正的痛点在于碳化硅价格昂贵、产能不足。

“好的碳化硅芯片,基本上是‘一芯难求’。”魏冬表示,目前,全球大约有40多款车型用到碳化硅功率器件,中国就占了半数以上,下游需求量大,但优质产能却提升很慢,按照现在的工艺,制造6英寸碳化硅衬底的晶棒需要在2300℃的长晶炉中生长约一周时间,才能长到20毫米左右的厚度。而且,由于碳化硅长晶时间长、属性硬脆的特性,碳化硅衬底的良品率也是现在的工艺技术难题,即使是碳化硅全球行业龙头之一的Wolfspeed,综合良品率也只有70%。

据悉,目前在800V高压平台上用碳化硅功率芯片平台全面替代硅基IGBT,会使电驱系统成本增加15%-30%。同时,平台电压升高也会导致电池成本上升5%-10%,由此计算,会使整车成本增加数千元。为了加快碳化硅国产化进程,推动碳化硅更快、更多地上车,国内多家整车企业与上游企业展开了紧密的合作,以产业链协同促进上下游共赢。

“即使在碳化硅领域,技术创新依然是克服短板、赢得市场的关键所在。”林弘昌表示,因此,无论是独立开发还是联合研发,尽快破除技术瓶颈才能加速碳化硅上车的进程,为新能源汽车发展提供更强有力的支持。

责任编辑:苏城

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