目前市面上主流的6.6kW車載充電機(jī)(OBC)成熟方案，一般采用兩級架構(gòu)，前級PFC主要負(fù)責(zé)功率因數(shù)校正，一般輸出400V直流電，后級DC/DC電路從PFC母線取電，實(shí)現(xiàn)隔離和調(diào)壓功能。由于近兩年碳化硅器件速度的下降，越來越多車企開始率先在OBC解決方中采用碳化硅器件替換傳統(tǒng)硅基器件。
OBC對碳化硅的需求量
談到當(dāng)前碳化硅市場在OBC的實(shí)際應(yīng)用，合肥巨一動(dòng)力有限公司研發(fā)總監(jiān)徐曉泉表示，“目前的OBC方案中，因?yàn)殡娐吠負(fù)浔容^多，僅FPC高頻開關(guān)就要2顆碳化硅器件�！�
浙江大學(xué)副教授王正仕則提到，在6.6kW主流平臺OBC方案中，后級的DCDC變換器一般采用交錯(cuò)并聯(lián)方案，其中快橋臂因?yàn)橐箝_關(guān)速度快，會(huì)用碳化硅器件替代傳統(tǒng)硅基器件，此外部分企業(yè)的方案中，變壓器的右側(cè)采用IGBT與碳化硅合封，也會(huì)用到1顆。
假設(shè)前級PFC電路1顆、后級DCDC電路兩個(gè)橋臂各需要1顆算，目前的主流OBC方案需要用到3顆碳化硅器件(最保守的估計(jì))，按照裝機(jī)量950萬套(2023年我國新能源汽車銷量949.5萬輛)，未來每年OBC的碳化硅市場需求量將超過2850萬顆。
碳化硅在OBC的應(yīng)用現(xiàn)狀 滲透率不超過20%
理想是豐滿的，但現(xiàn)實(shí)總有些骨感。據(jù)王正仕教授預(yù)估，目前碳化硅市場在OBC的滲透率還不足20%。
相較于傳統(tǒng)的硅基器件，碳化硅器件核心的優(yōu)勢突出。
1)碳化硅器件具有 3 倍于硅基器件的禁帶寬度，能減少漏電并提高耐受溫度;
2)碳化硅器件具有 10 倍于硅基器件擊穿場強(qiáng)，能提高電流密度、工作頻率、耐壓容量并減低導(dǎo)通損耗，更適合高壓應(yīng)用。
3)碳化硅器件具有 2 倍于硅基器件的電子飽和漂移速度，工作頻率可提高至兆赫茲以上。
4)碳化硅器件具有 3 倍于硅基器件的熱導(dǎo)率，散熱性能更好，能夠支持高功率密度并降低散熱要求，使得器件體積可縮小至硅基器件的1/10，更輕量化。
具體到新能源汽車的應(yīng)用中，碳化硅相比硅基IGBT功率轉(zhuǎn)換效率更高(ST測算為3.4%，小鵬測算為3-4%)，電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航距離可延長5-10%;按照蔚來工程師提供的數(shù)據(jù)，ET7上的180kW永磁同步電機(jī)(主驅(qū)電機(jī))采用了碳化硅(SiC)功率模塊后，相比傳統(tǒng)硅基模塊(IGBT)電流提升30%，綜合功率效率≧91.5%。
但碳化硅市場在OBC的實(shí)際應(yīng)用過程中，上述優(yōu)勢卻并沒有完全發(fā)揮出來。
以車廠最關(guān)心的效率和體積為例，碳化硅市場在目前的OBC方案中，綜合幾位受訪者的話看：
效率提升，據(jù)王正仕教授和徐曉泉介紹，采用碳化硅以后OBC的效率提升比例大約在0.5%-1%;
工作頻率，目前業(yè)界OBC的工作頻率仍集中在70kHz-240kHz，其中100kHz左右為主流;
工作溫度，目前芯片廠商多沿用傳統(tǒng)硅基器件的封裝形式，芯片結(jié)溫在175℃左右。
究其原因就在于目前的碳化硅OBC方案，大部分是以替換硅基器件方案為主。它的好處是可以沿用傳統(tǒng)拓?fù)潆娐�，在不用大改方案的前提下�?shí)現(xiàn)一定程度的效率提升和體積的減小，但碳化硅器件的性能潛力也難以更好地發(fā)揮出來。
不過，一個(gè)好的現(xiàn)象是，碳化硅市場在OBC的滲透率正在加速。據(jù)徐曉泉介紹，目前其新開發(fā)的OBC產(chǎn)品，碳化硅的滲透率已經(jīng)超過80%。
產(chǎn)業(yè)資本齊聚 碳化硅價(jià)格下降成趨勢
除了上述原因，阻礙碳化硅市場落地更為重要的原因是產(chǎn)能不足與良率不高，特斯拉甚至因此在2023年表示要削減碳化硅用量。根據(jù)市場預(yù)估，平均2輛特斯拉純電動(dòng)車就需要一片6寸SiC晶圓。以年產(chǎn)能100萬輛Model 3/Y計(jì)，特斯拉一年需要超50萬片6寸晶圓平均2輛特斯拉純電動(dòng)車就需要一片6寸SiC晶圓。以年產(chǎn)能100萬輛Model 3/Y計(jì)，特斯拉一年需要超50萬片6寸晶圓，按照當(dāng)時(shí)的產(chǎn)能計(jì)算，可能全球的碳化硅晶圓都不夠特斯拉一家消耗。
不過碳化硅市場應(yīng)用的趨勢越來越明顯。截止到2023年，天科合達(dá)碳化硅襯底產(chǎn)品以6英寸導(dǎo)電型為主，年產(chǎn)能約29萬片，相比去年同期翻倍。目前天科合達(dá)在北京大興、江蘇徐州、新疆石河子、深圳都有工廠布局，2023年6月天科合達(dá)與深圳市重大產(chǎn)業(yè)投資集團(tuán)共同投建的廣東省重點(diǎn)項(xiàng)目深圳重投天科“第三代半導(dǎo)體材料產(chǎn)業(yè)園”項(xiàng)目初步建成投產(chǎn);8月天科合達(dá)江蘇徐州二期項(xiàng)目開工建設(shè)，并在2023年12月28日封頂，預(yù)計(jì)2024年8月投產(chǎn)后會(huì)新增16萬片/年的產(chǎn)能，徐州工廠最終實(shí)現(xiàn)年產(chǎn)能23萬片。
另一碳化硅龍頭企業(yè)天岳先進(jìn)產(chǎn)能分布在濟(jì)南、濟(jì)寧、上海三地，2023年產(chǎn)能的增速得益于濟(jì)南工廠產(chǎn)能從半絕緣轉(zhuǎn)為導(dǎo)電型，以及上海臨港工廠的產(chǎn)能爬坡，公司的主要產(chǎn)品也從半絕緣成功調(diào)整為導(dǎo)電型，滿足功率半導(dǎo)體市場需求。按照2023年公司第三季度的營收增長趨勢以及公司披露的信息估算，天岳先進(jìn)到2023年底整體產(chǎn)能能夠達(dá)到年產(chǎn)25萬片的水平。而2022年同期天岳先進(jìn)的產(chǎn)能大約是6.7萬片/年，2023年產(chǎn)能爬坡進(jìn)展較為順利。
天岳先進(jìn)還和英飛凌簽署長期供貨協(xié)議，英飛凌表示這次協(xié)議的供應(yīng)量長期將會(huì)占到公司需求量的兩位數(shù)份額。天科合達(dá)也簽署了類似的供貨協(xié)議。
從產(chǎn)業(yè)鏈角度看，也掀起了一股碳化硅擴(kuò)產(chǎn)熱潮。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，從2023年至今年2月，國內(nèi)合計(jì)共有36個(gè)SiC模塊相關(guān)項(xiàng)目，已公開投資金額超過260億元，合計(jì)年產(chǎn)能超3246萬只。
其中國內(nèi)碳化硅龍頭企業(yè)之一天科合達(dá)累計(jì)投資金額超過100億元，6&8英寸碳化硅襯底產(chǎn)能超過125萬片。
根據(jù)網(wǎng)上公開信息看，國內(nèi)其他主要碳化硅廠商產(chǎn)能如下：
車廠價(jià)格戰(zhàn)升級 加速碳化硅滲透
除了產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)的擴(kuò)產(chǎn)助力解決產(chǎn)能瓶頸，終端企業(yè)也在加速碳化硅的“上車”。目前國內(nèi)的比亞迪、長城、吉利等傳統(tǒng)車廠，以及蔚小理等造車新勢力，都在積極布局碳化硅車型，比亞迪、長城更是在碳化硅市場產(chǎn)業(yè)鏈上下游都有落子。
而日前剛剛發(fā)布的小米新車，同樣搭配了碳化硅全系快充：全系配備峰值效率 99.6% 的碳化硅電控、碳化硅車載充電機(jī)、碳化硅壓縮機(jī)。小米SU7 標(biāo)準(zhǔn)版，峰值電壓 486V，采用全域碳化硅設(shè)計(jì)的“超級 400V 高壓平臺”，15 分鐘充電350km。小米SU7 Max版，全域碳化硅“真 800V 高壓平臺”，峰值電壓871V。
此外，開年后比亞迪就率先宣布降價(jià)，旗下兩款車型最低售價(jià)為7.98萬元，價(jià)格均下降了2萬元，一天之內(nèi)就有9家車企跟進(jìn)，將持續(xù)了一年的價(jià)格戰(zhàn)再度升級。
小米新車發(fā)布會(huì)后，雷軍表示：“純電汽車行業(yè)，除了特斯拉之外，我也不知道哪家還在賺錢。小米汽車SU7的定價(jià)既要讓消費(fèi)者覺得我們有誠意，同時(shí)其中的虧損也要我們能夠扛得起。22.9萬是我們原來的定價(jià)，頂配版原來的定價(jià)是35萬，但后來(車企降價(jià))把我們搞蒙了，所以我們決定誠意做到底，標(biāo)準(zhǔn)版定價(jià)就比Model 3低3萬，Max版就定在了29.9萬元。”
不斷加重的成本壓力，也將倒逼車廠尋求更加具有性價(jià)比的解決方案。
以電壓為例，假設(shè)電壓平臺從400V提高至600V后，電壓提高了50%，對應(yīng)的電流只有以前的66.7%，損耗減少到以前的44.5%，意味著晶圓的尺寸可以減少至44.5%，同時(shí)還可將通態(tài)電阻的阻值提高，可使用更大阻值的碳化硅管，進(jìn)一步降低系統(tǒng)成本。
作為OBC產(chǎn)品中體積占比最大的磁性元件，其縮小體積的原理也與此類似，不過將著手點(diǎn)換成工作頻率。日前我們在走訪企業(yè)的過程中也恰巧有幸看到了比亞迪混動(dòng)車上的那顆升壓電感樣品，最新一代的升壓電感相比于上一代，其體積已縮小了1/3，這也難怪這款產(chǎn)品短短一年時(shí)間價(jià)格就下降了將近一半。而這種驚人的產(chǎn)品迭代速度，或者說成本下降速度，在車廠成本管控的推動(dòng)下，正快速蔓延至越來越多的元器件當(dāng)中。
相比于傳統(tǒng)方案，針對碳化硅市場特性重新設(shè)計(jì)電路拓?fù)浞桨负�，OBC系統(tǒng)整體成本預(yù)計(jì)還要低10%左右。
結(jié)語
在價(jià)格戰(zhàn)不斷升級，成本壓力不斷增加的情況下，降本或?qū)⒊蔀檎麢C(jī)乃至整車廠進(jìn)一步挖掘碳化硅器件性能潛力，加速碳化硅市場在新能源汽車的滲透速度的動(dòng)力。到那時(shí)候，改改OBC產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案，或許也就不是那么麻煩的事了，碳化硅也可以從當(dāng)前“用了但又沒完全用”的尷尬局面解脫出來。
下期《對話》欄目，我們將通過浙江大學(xué)、浙江工業(yè)大學(xué)、巨一動(dòng)力、士蘭微等知名院校、整機(jī)企業(yè)和磁性元件企業(yè)，共同探討碳化硅市場落地的技術(shù)難題及磁性元件未來的改進(jìn)方向，敬請關(guān)注。 |
