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SiC功率半導(dǎo)體器件的需求日益增長

2022-11-18 來源:譜析光晶

在功率半導(dǎo)體器件“上車”之后


近年來,在新能源汽車(以混動汽車為起點)得到資本、政府與消費者的認可之后,功率半導(dǎo)體器件作為其電能轉(zhuǎn)換的核心,也成為了資本市場的寵兒。

尤其是特斯拉引入SiC功率器件之后。從英飛凌、三菱、安森美、意法半導(dǎo)體、中車時代電氣等公司修煉多年的各路英豪在目前的車規(guī)級功率半導(dǎo)體器件市場內(nèi)各顯神通,部分希望通過借鑒英飛凌的Hybridpack模塊的封裝形式來切入標準化的電驅(qū)應(yīng)用領(lǐng)域;

 

整車:會戰(zhàn)高端化,預(yù)計將全面替代Si基功率半導(dǎo)體,800V車樁并舉。2019年豪車品牌保時捷推出全球首款800V車型Taycan 。2020年比亞迪漢采用了 800V架構(gòu),2021年上海車展發(fā)布的e平臺3.0亦搭載800V架構(gòu)。隨后華為、吉利、廣汽、小鵬、嵐圖等Tier1和整車廠/品 牌推出了車樁兩端的解決方案,以保障快充使用體驗。
未來兩年高端化是整車廠主戰(zhàn)場,軍備競賽開啟。補能 時間是電動車面臨的核心短板之一,升級800V結(jié)構(gòu)有利于實現(xiàn)快充,在短期內(nèi)形成對中低端車型的差異化競爭力。長期看快充對于中低端車型亦是剛需,800V架構(gòu)升級具備長期趨勢。
零部件與元器件:SiC和負極受益最大,其他部件平滑升級。從目前400V升級至800V ,變化最大的零部件和元器件主要是功率半導(dǎo)體和電池負極。其中SiC基功率半導(dǎo)體由于耐壓高、損耗低、開關(guān)頻率高等優(yōu)異性能,預(yù)計將全面替代Si基功率半導(dǎo)體。
由于快充瓶頸在于負極,如要將目前的1C倍充電率提升至2C,再提升至4C,主流技術(shù)包括石墨包覆/摻雜硬碳、硅碳負極。其余部件則需要重新選型,提升耐壓等級,但整體來看成本變化平滑。短期來看高壓方案比目前方案整 車成本增加2%左右,長期看有望低于目前成本,為整車廠推廣建立了良好基礎(chǔ)。             


零部件與元器件:SiC和負極受益最大,其他部件平滑升級

電控
800V下SiC性能優(yōu)異,替代Si基功率半導(dǎo)體趨勢明確:

SiC基功率半導(dǎo)體相比Si基具備更高耐壓等級和開關(guān)損耗,以Si-IGBT為例,450V下其耐壓為650V,若汽車電氣架構(gòu)升級至800V,考慮開關(guān)電壓開關(guān)過載等因素,對應(yīng)功率半導(dǎo)體耐壓等級需達1200V,而高電壓下Si-IGBT的開關(guān)/導(dǎo)通損耗急劇升高,面臨成本上升而能效下降的問題。

 

800V下SiC的耐壓、開關(guān)頻率、損耗表現(xiàn)優(yōu)異,是800V趨勢下最大受益元器件。


電機

軸承防腐蝕、絕緣要求增加。軸電壓的產(chǎn)生

電機控制器供電為變頻電源,含有高次諧波分量,逆變器、定子繞組、機殼形成回路,產(chǎn)生感應(yīng)電壓,稱為共模電壓,在此回路上產(chǎn)生高頻電流。由于電磁感應(yīng)原理,電機軸兩端形成感應(yīng)電壓,成為軸電壓,一般來說無法避免。

 

轉(zhuǎn)子、電機軸、軸承形成閉合回路,軸承滾珠與滾道內(nèi)表面為點接觸,若軸電壓過高,容易擊穿油膜后形成回路,軸電流出現(xiàn)導(dǎo)致軸承腐蝕;

 

800V的逆變器應(yīng)用SiC,導(dǎo)致電壓變化頻率高,軸電流增大,軸承防腐蝕要求增加;

 

同時,由于電壓/開關(guān)頻率增加,800V電機內(nèi)部的絕緣/EMC防護等級要求提升。

 

高壓直流繼電器:高性能要求驅(qū)動附加值,單車價值量提升

性能升級,優(yōu)勢廠商優(yōu)勢明顯:作為新能源車高壓電流回路的橋梁,升壓對連接器的可靠性、體積和電氣性能的要求增加,其在機械性能、電氣性能、環(huán)境性能三方面均將持續(xù)提升。
作為中高端產(chǎn)品,電動汽車高壓連接器有較高的技術(shù)與工藝壁壘。傳統(tǒng)燃油車的低壓連接器被海外供應(yīng)商壟斷。電動車快速增長打開高壓連接器新增量,技術(shù)變化要求快速響應(yīng),整車平臺高壓化將進一步提高行業(yè)壁壘,國產(chǎn)供應(yīng)商迎來國產(chǎn)替代機遇。
數(shù)量增加,單車價值量有望提升:目前單輛電動車配置15-20個高壓連接器,單價在100-250元之間,雙電機或大功率驅(qū)動電機車型需求量更多。從400V增至800V后,高壓連接器將重新選型,增加大功率快充接口及400V到800V的轉(zhuǎn)化接口,帶動高壓連接器單車價值量上升。

OBC/DCDC:主動元件升級,短期內(nèi)受益升壓增量

高電壓對功率器件提出更高要求,將驅(qū)動OBC/DCDC成本短期內(nèi)攀升:

為滿足800v高電壓平臺在體積、輕量、耐壓、耐高溫等方面帶來的更為嚴苛的要求,OBC/DCDC等功率器件集成化趨勢明顯;

 

同時,預(yù)計SiC碳化硅將借助耐高壓、耐高溫、開關(guān)損耗低等優(yōu)勢在功率器件領(lǐng)域進行廣泛應(yīng)用,驅(qū)動單車OBC/DCDC價值量提高約10%-20%。

 

800v高壓平臺有望為OBC/DCDC帶來新增量:

高壓平臺使車載充電機升級需求增加,為高壓OBC提供增量;

 

同時,為能夠適配使用原有400v直流快充樁,搭載800v電壓平臺新車須配有額外DCDC轉(zhuǎn)換器進行升壓,進一步增加對DCDC的需求。

 

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