文 | 半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)縱橫
最近，比亞迪正式發(fā)布了超級e平臺，這是全球首個量產(chǎn)的乘用車“全域1000V高壓架構(gòu)”，將電池、電機、電源、空調(diào)等全系高壓部件都做到了1000V，將新能源汽車帶入“油電同速”時代。王傳?，F(xiàn)場演示時，唐L車型電量從8%充至61%僅用5分鐘，續(xù)航里程從53公里躍升至410公里的場景。
此外，為適應(yīng)全新的1000V架構(gòu)，比亞迪同步推出了1500V車規(guī)級SiC功率芯片，這也是行業(yè)首次量產(chǎn)應(yīng)用的、最高電壓等級的車規(guī)級碳化硅功率芯片，也是超級e平臺的核心部件。
01 汽車產(chǎn)業(yè)高壓平臺加速迭代
其實所謂的400V、800V、1000V等架構(gòu)并非精確數(shù)值，也不是國家標(biāo)準(zhǔn)，而是行業(yè)寬泛的稱謂。
一般來說，額定電壓在 230V 至 450V 之間的車輛屬于 400V 架構(gòu)；550V 至 930V 之間為 800V 架構(gòu)；830V 至 1030V 基本可稱作 900V 架構(gòu)，像蔚來普及的 900V 平臺，最高電壓達 925V，充電峰值功率 600kW，充電峰值電流 765A，就處于這一區(qū)間。1000V 架構(gòu)通常指額定電壓在 930V 往上，接近或達到 1000V 甚至更高的情況。
2019 年上市的保時捷 Taycan 是高電壓平臺的 “先行者”。出于對充電速度和持續(xù)性能的追求，Taycan率先量產(chǎn)了800V電壓平臺，但作為“先行者”，保時捷也承擔(dān)了相應(yīng)的開發(fā)風(fēng)險和挑戰(zhàn)，受限于各零部件開發(fā)進度的不同，最初的Taycan并沒有拿出一個完全由800V用電器組成的電壓平臺，并在電池的快充速度上進行了一定的妥協(xié)和讓步。
不惜在車上增加如此復(fù)雜的電壓轉(zhuǎn)換設(shè)備，保時捷Taycan最主要的目的就是要縮短用戶在充電上付出的時間成本。而在其他高壓部件以及電池快充能力取得進步之后，保時捷Taycan及其后續(xù)車型還有望在350kW充電功率的基礎(chǔ)上，進一步發(fā)掘出800V電壓平臺的潛力。
如今高電壓平臺技術(shù)也在覆蓋更多平民車型?，F(xiàn)代汽車就在其E-GMP平臺上使用了800V電壓平臺。奔馳的EVA平臺、通用的第三代純電動平臺、捷豹路虎的電氣化平臺，也都紛紛選擇了800V作為車輛的運行電壓。此外，雖然MEB平臺的車型才上市不久，但大眾也迫不及待地提出了Trinity項目，預(yù)計將于2026年應(yīng)用800V超充技術(shù)。
國內(nèi)方面，新勢力、自主、合資主流車企均已布局高壓平臺架構(gòu)。新勢力車企如賽力斯問界、蔚來、小鵬，自主品牌如比亞迪、極氪、埃安、極狐、阿維塔，合資車企如奔馳、寶馬、奧迪等。隨著越來越多的車企布局800V高壓平臺架構(gòu)，技術(shù)成熟度不斷提高，同時由于規(guī)模效應(yīng)，成本逐漸降低，質(zhì)量也更加穩(wěn)定，這為800V高壓平臺大規(guī)模上車提供了堅實的基礎(chǔ)。
可以說，國內(nèi)廠商在高電壓平臺方向上的開發(fā)工作也并不落后。比亞迪是第二家擁有1000千瓦充電器的中國汽車制造商。東風(fēng)旗下的Voyah品牌去年9月推出了VP1000充電器，但推廣速度緩慢。
從兩年前800V高壓平臺還只是高端車的專屬，到現(xiàn)在新車普遍采用，高電壓大功率超充的普及雖然還比不上低壓充電樁，但長遠來看，800V、900V 甚至 1000V 高壓架構(gòu)成為主流是必然趨勢。
02 高壓平臺優(yōu)勢明顯
以往，受硅基 IGBT 功率元器件耐壓能力限制，電動車高壓系統(tǒng)多采用 400V 電壓平臺?；谠撾妷浩脚_的充電樁中，充電功率最大的是特斯拉第三代超級充電樁，達到了250kW，工作電流的峰值接近600A。若要進一步提高充電功率、縮短充電時間，將電壓平臺從400V提升到800V、1000V甚至更高水平，勢在必行。
800V 電壓平臺搭配 350kW 超級充電樁，充電速度遠超常見的 120kW 直流快充樁，逐漸向傳統(tǒng)燃油車加油的便捷體驗靠攏，這對依賴公共充電設(shè)施的用戶而言是極大的便利。而且，在用電功率相同的情況下，提高電壓等級能減小高壓線束傳輸電流，縮減線束截面積，降低線束重量、節(jié)省安裝空間。
根據(jù)業(yè)內(nèi)人士分析，在我國超級充電樁國標(biāo)落地后，充電樁的最大充電功率有望達到600kW以上，“充電五分鐘、續(xù)航200公里”也將從一句玩笑變成現(xiàn)實。
比亞迪的 1000V 平臺優(yōu)勢則更為突出：一是補能速度大幅提升，相比 800V 架構(gòu)汽車充電 5 分鐘續(xù)航 200 公里左右，1000V 平臺可實現(xiàn)充電 5 分鐘續(xù)航 400 公里；二是電機功率顯著提升，千伏架構(gòu)電機在高速區(qū)后段功率提升超 100%，零百加速更快，100 - 200 公里超車加速更強；三是電機功率密度大幅提高，1000V 電壓平臺使電機銅損更小，比亞迪超級 e 平臺的電機功率密度達到 16.4kW/kg，遠高于部分 800V 電機的 8kW/kg。
03 高壓平臺為什么選擇碳化硅？
高電壓平臺技術(shù)雖看似只是提升整車電壓，但在技術(shù)開發(fā)和應(yīng)用上卻是系統(tǒng)工程。
在電驅(qū)動系統(tǒng)中，電壓升高對絕緣能力、耐壓等級和爬電距離要求更高，會影響電氣部件設(shè)計和成本。其中，電機控制器的核心元件 —— 功率半導(dǎo)體器件是主要難點。
目前，滿足車規(guī)級標(biāo)準(zhǔn)的功率半導(dǎo)體器件里，主流的硅基 IGBT 耐壓等級在 600 - 750V，適用于 800V 平臺的高壓 IGBT 產(chǎn)品較少，且存在損耗高、效率低的問題。為適配 1000V 超高壓充電，比亞迪自研并量產(chǎn)了電壓等級達 1500V 的全新一代車規(guī)級碳化硅功率芯片，這是行業(yè)首次量產(chǎn)乘用車應(yīng)用的最高電壓等級車規(guī)級碳化硅功率芯片。
相比于硅材料，碳化硅具備高壓、高頻、高溫的特性，在功率提升、降低損耗方面表現(xiàn)出色。在新能源汽車中，SiC 主要應(yīng)用于動力控制單元（PCU）和充電單元（OBC）。對前者而言，應(yīng)用碳化硅的SiC MOSFET相較當(dāng)前主流的Si IGBT能夠讓升壓轉(zhuǎn)換器（boost converter）將動力電池的輸出電壓升壓到更高，同時也能讓逆變器（inverter）將直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟姷念l率變得更高。
更高的輸出電壓可以適配性能更加強勁的驅(qū)動電機，有效減小尺寸、體積和重量，同時碳化硅具有更低的關(guān)斷損耗，從而減少了發(fā)熱量。這樣一來，首先可以提高效率并擴大高效轉(zhuǎn)速區(qū)間，讓新能源車在過去不擅長的中高速工況下也變得高效，帶來更長的續(xù)航里程；二來，由于發(fā)熱量大幅降低，使PCU散熱需求降低，從而縮小PCU 質(zhì)量與體積，釋放更多空間并進一步輕量化，一定程度上延長續(xù)航。因此，SiC在PCU上的應(yīng)用，可以讓新能源汽車?yán)m(xù)航更長，性能更強。而在OBC的應(yīng)用上，由于可以承受更高的充電電壓，使得充電時間進一步縮短。
目前大部分400V車型仍是硅基IGBT的天下，對采用碳化硅仍猶豫不決，但在800V-1200V平臺，碳化硅功率半導(dǎo)體顯然是絕佳選擇。而且，比亞迪不僅將電池和電驅(qū)升級到1000V，還對充配電系統(tǒng)、電動空調(diào)等重新設(shè)計，全部提升到1000V，這也將增加碳化硅半導(dǎo)體的應(yīng)用量。
只是由于目前在產(chǎn)能和成本方面仍無法與IGBT相媲美，碳化硅器件的普及還需要時間，業(yè)內(nèi)對2025年碳化硅MOSFET的滲透率預(yù)期普遍在20%左右，未來幾年內(nèi)IGBT仍將是電驅(qū)動系統(tǒng)最主流的功率半導(dǎo)體器件。
04 碳化硅開啟擴產(chǎn)浪潮
2024 年，比亞迪雖為全球新能源汽車銷量冠軍，但碳化硅車型銷量低于特斯拉、吉利。此次比亞迪將乘用車碳化硅主驅(qū)芯片電壓提升至 1500V，首搭車型覆蓋漢LEV、唐LEV、仰望 U7、騰勢 N9，未來該技術(shù)將下放至全系車型，包括入門級產(chǎn)品(如秦LEV等)，未來將大幅增加碳化硅的用量需求。
在市場需求推動下，中國碳化硅襯底生產(chǎn)能力迅速擴張。統(tǒng)計數(shù)據(jù)揭示了一個顯著的增長趨勢：截至2024年6月底，中國在這一領(lǐng)域的產(chǎn)能已經(jīng)達到了約348萬片（等效6英寸），并且預(yù)計到年底這一數(shù)字將增至400萬片。
天岳先進的上海臨港工廠截至2024年一季度已能夠?qū)崿F(xiàn)年30萬片導(dǎo)電型襯底的能力，并且正在規(guī)劃臨港工廠的第二階段產(chǎn)能提升，其8英寸碳化硅總體產(chǎn)能規(guī)劃約60萬片。
天科合達碳化硅晶片二期擴產(chǎn)項目在徐州經(jīng)開區(qū)開工，項目總投資8.3億元，達產(chǎn)后，可實現(xiàn)年產(chǎn)碳化硅襯底16萬片。
晶盛機電已量產(chǎn)6-8英寸碳化硅襯底且核心參數(shù)指標(biāo)達到行業(yè)一流水平，正在積極推進8英寸碳化硅襯底的產(chǎn)能快速爬坡，并拓展了海外客戶。
爍科晶體SiC二期項目已竣工驗收，其中一期工程已于2024年5月完成驗收；二期工廠在一期工程基礎(chǔ)上擴建，在2023年8月進行備案，同年10月提交建設(shè)申請，目前也宣告完成驗收，建成后將新增6-8英寸碳化硅襯底年產(chǎn)能20萬片。
中晶芯源其8英寸碳化硅項目正式投產(chǎn)，計劃總投資15億元，達產(chǎn)年產(chǎn)能為30萬片。
今后三年，南砂晶圓投資擴產(chǎn)的重心將放在濟南北方基地項目上，大幅提升8英寸碳化硅襯底產(chǎn)能。
重慶三安其8英寸碳化硅襯底廠在8月底已實現(xiàn)點亮通線，年產(chǎn)能為8英寸碳化硅襯底48萬片，是三安光電為其與意法半導(dǎo)體合資的8英寸碳化硅器件廠配套建設(shè)的碳化硅襯底廠。
此外，士蘭明鎵、廣東天域半導(dǎo)體、芯粵能等企業(yè)也在大舉擴產(chǎn)。
不難看出，許多廠商的產(chǎn)能爬坡速度超過預(yù)期。
05 中國企業(yè)領(lǐng)跑碳化硅襯底技術(shù)
除了產(chǎn)能外，中國企業(yè)在碳化硅襯底技術(shù)方面也在不斷突破。
2024年11月，天岳先進發(fā)布了12英寸（300mm）N型碳化硅襯底產(chǎn)品，標(biāo)志著碳化硅產(chǎn)業(yè)正式邁入超大尺寸碳化硅襯底時代。
2024年12月，中電科半導(dǎo)體材料有限公司所屬山西爍科晶體有限公司成功研制出12英寸（300mm）高純半絕緣碳化硅單晶襯底，并同期研制成功12英寸（300mm）N型碳化硅單晶襯底。
中國企業(yè)如今開始逐漸領(lǐng)跑碳化硅襯底技術(shù)。報告顯示，2021年至2023年期間，中國參與者披露的SiC發(fā)明專利數(shù)量增加了約60%，是全球主要國家和地區(qū)當(dāng)中增長更快的，同時也是專利申請量最多的。尤其是2023年，在全球SiC專利申請當(dāng)中，超過70%都是來自于中國實體。這也側(cè)面體現(xiàn)了中國企業(yè)的研發(fā)能力。