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碳化硅:800V高压化的机会
选对股买对时
中线波段的公社达人
2021-12-09 23:44:14
1、乘用车电压平台400V升级800V的趋势较为明确。在升级过程中,对整套三电系统中的功率器件和其他零部件有什么新的要求?
乘用车400V电压平台的时代还没结束,800V的趋势就来了。400V升级到800V最重要的部件升级就是电驱(电池也有相关性),其中碳化硅的使用是电驱升级的核心。
从碳化硅本身的特性来说:
1)耐高温能力更强(可在200度条件下正常工作,传统硅基IGBT一般只能在175度以下工作,因此对冷却系统要求更低);
2)耐压特性特别好;
3)低开关损耗(IGBT拖尾损耗更高)。

目前主流还是400-500V电压平台,未来上800V推快充是为了解决电动车的两个核心问题:
1)里程焦虑;
2)充电速度慢(理想ONE增程式,小鹏G9高电压,蔚来换电)。
在传统400V电压平台下,特斯拉推出250kW的超级快充;在800V平台下,小鹏最新推出400kW快充,充电效率达到5C,10分钟能充400公里。

800V平台升级变化:
1)功率模块变化;
2)电池串并联变化;
3)线束、接插件变化(线束材料用量更少,但耐压绝缘、接插件可靠性制造难度更大,隔离芯片也会产生很大的变化)。

在功率模块上,硅也能做1000V以上应用,碳化硅可以做到1700V,用碳化硅原因:
1)体积更小;
2)功率密度高;
3)芯片体积小。
4)在750V背景下,硅基IGBT应用的成本边际效应会比碳化硅明显,但功率和电压变高后,拖尾损耗增加。
因此高压条件下,1200V碳化硅成为必然选择:体积小、耐压强、效率高。

碳化硅与硅基应用成本对比:
1)从逆变器角度说,碳化硅逆变器本身模块价格是硅基的2-3倍(英飞凌HPD 1000-1500元,碳化硅4500元)。
2)碳化硅应用后,系统成本更低(对于整车厂而言,应用碳化硅不会单一考虑功率器件成本,更重要的是考虑整车成本变化):
①以80kWh电池为例,应用碳化硅后,NEDC续航里程可以提升4-5%(有的材料说能做到提升10%,但实际没有那么高),即节约电池4-5kWh(10%提升的话能节省8kWh)。近十几年来,电动车电池成本已经下降了80%,目前是130多美金1kWh(不到1000元)。运用碳化硅后,电池体积更小、重量更轻,预计电池端成本可以降3000-4000元;
②冷却系统降1000元;
③综合碳化硅应用成本上升以及其他系统成本变化,我们测算整车系统成本能够降低2000-3000元。

400V平台运用碳化硅:
相比现在硅基IGBT的运用也有优势。考虑到未来电池成本降低、碳化硅量产后成本降低,产品优势会更加明显,未来碳化硅肯定是优势。续航里程增加、效率提升、逆变器体积减小20-25%。
800V平台运用碳化硅:
系统成本降低更多,碳化硅应用在高压条件下优势更明显。高功率条件下,效率提升更棉线,线束性能提升更多。用硅去做更没有优势,碳化硅是未来必然方向。

2、400V架构下硅基IGBT跟碳化硅MOS成本和性能上有什么差异?
1)硅基价格很便宜,英飞凌HPD,80V一个1000-1500元,碳化硅价格至少4500元,增加3000元成本。
2)相同功率条件下,按照NEDC标准,我的观点是提升4-5%续航里程(逆变器、电驱动的效率能从89%提到91%左右,整体提升6-7%,折算到续航里程有4-5%提升)。续航里程增加,那么在相同的续航里程条件下,电池节省4kWh左右,折算节省4000元。
3)碳化硅带动整个系统效率提高,系统成本相应下降,预计还有1000元左右的节省(eg.冷却系统、线束)。
4)总结:在相同性能的产品条件下,碳化硅替代硅基IGBT成本增加3000元,电池节省4000元,其他系统成本节省1000元,合计有2000元左右的成本降低。

3、800V的碳化硅方案与400V硅基IGBT方案有什么变化,尤其性能上会有哪些变化?
升级800V以后,整车性能会更好,更能配适快充,但成本还是要增加。
800V使用碳化硅,价格增加是必然的,另一方面,
1)Q=I^Rt,电流降一半,线束能省很多钱(原成本1000多元,能下降比较多);
2)接插件增加,这部分成本加一些;
3)我认为整体800V碳化硅方案比400V硅方案成本会多1000元左右。(没有考虑升级800V后电池串并联出现不均衡性后导致的成本增加,800V对一致性要求更高,但这部分我暂无相关数据。)

4、如果只关注功率模块单元,碳化硅在400V跟800V差别大吗?
1)晶圆大小没有太大差别,用料不会相差太大(晶圆厚度、耐压能力更强但不会有本质区别,但800V用料会相对多一些);
2)800V碳化硅的耐压绝缘特性对外部电路、绝缘、驱动要求更高,增加100-200元成本;
3)总的来说,800V碳化硅会增加一些成本,但不会太明显。

5、有说法是以后电动车的中高端车型会往碳化硅升级,但中低端车型会停留在硅基IGBT,这个说法有道理吗?
高端车上大功率能够提供更高的性能,这是个趋势(eg.保时捷Taycan)。
1)为了解决续航里程问题,我认为以后30万元以后的车都会上碳化硅(eg.理想X系列,理想ONE用增程式,新出纯电车型必须用800V解决续航)。
2)不一定只在高端车上用,30万元以上的车也上(eg.特斯拉Model 3)。但要考虑两个方面问题:①产能是否能够满足;②续航里程问题的解决需求是否足够迫切。

预计2025-2026年碳化硅渗透率不会超过20%,80%甚至更多还会是硅基IGBT。预计2026年国内新能源车销量700-1000万台,20%的量也非常巨大,不能简单定义一定只用于高端车。
2030年比例会更高,碳化硅的应用要考虑技术升级和市场效应问题,不会短时间完成对硅基IGBT的替代,替代时间很长。
目前全球碳化硅产能60万片(特斯拉Model 3销量100万台,全给他用就都用掉了)。特斯拉也不是所有车型都用碳化硅(1/3或者更少的高功率版本会用到,用意法半导体的24个单元的芯片)。
目前产能主要集中在科锐、奥六(音译)、稻壳康宁(音译)、Norstel、住友、罗姆。国内厦门三安,世纪金光未来有机会,但与国际厂家比有差距,等慢慢成熟。

6、碳化硅长期上看也会有降本空间,未来跟硅基的成本差异大概会在什么水平?
碳化硅成本一定会比硅贵,产能再高也不会便宜。碳化硅就是晶圆提纯,即拉晶棒,6英寸的产量低(罗姆8英寸),生长速度慢,价格必然会高。目前是硅的3-5倍价格,未来5-6年可能会降至硅的1.5倍左右(比硅贵50%,eg.硅基1000元,碳化硅1500元),之后会达到一个相对平衡点(硅的产量已经足够大,降本空间不大,看产量上去带来的价格、边际效应)。

7、业内预计到什么阶段,碳化硅的模块价格是硅基的两倍左右?
目前产能释放,规划到2025-2026年才能释放,预计2026-2027年才能达到两倍左右的价格趋势。碳化硅的良品率是远低于硅的,技术升级和良品率提升也帮助碳化硅价格降低。

8、硅基本身也是有8-12的转化,硅基本身也在降价,碳化硅也在降价,2025年产能释放,到时候价格还是在硅基的2倍以上?
英飞凌和国内的华虹12英寸线已经上了,硅基价格已经到了一个瓶颈。英飞凌12寸线,第七代出来价格是降了但是降的不是特别多。

9、除了碳化硅在成本端,在技术端是否有可靠性的问题?
碳化硅可靠性挑战大,原因:
1)工作层面:不像IGBT,硅晶圆面积大,散热能力(热阻)小,热容大,瞬态电流能力比较强。碳化硅晶圆热阻大,热容大, 瞬态电流能力比较弱。IGBT能抗6微秒短路性能,碳化硅可能2微秒都不到。所以,瞬态电流过大后,碳化硅有失效的风险。
2)可靠性层面:被驱动电压的大小,抗干扰能力等因素影响。碳化硅比硅挑战更大。
3) 应用层面:变化速率快,电机要求更高,有技术挑战。

10、IGBT本身有BJT和三极管的结合。如果换成碳化硅,只是一个MOS管?
IGBT本身电流驱动,达林顿结构和MOS管帮助驱动,这些是很成熟的工艺。
最主要还是功率级的IGBT,前面的MOS是一个功率不是特别大的,是帮助驱动的放大作用,IGBT可以看到三极管。

11、氮化镓是否已经弯道超车?
不太可能,电压不会上去,扛耐压能力是跟距离相关的,扛耐压很高会距离非常大,就没有优势了。而且基本没有扛短路能力的,也没有M级吸收能力,所以不支持大功率的使用,氮化稼是高频电源产品的使用,在工业级像闻泰会做一些这样的产品,像电驱动做了一个20KW的驱动电机产品,用也是400V平台的A00级车使用。

12、400V的平台也有使用碳化硅的情况,现在的进展?
国内用的不是特别多,主要是特斯拉model3和modelY用400V的平台。国内大部分都往800V走,类似于小鹏的G9,但并未出现碳化硅400V大规模批产的情况,至少400V在国内的批产不会太多。

13、与800V方案相比,特斯拉大电流增压方案成本更低,特斯拉的迭代方案,碳化硅会不会升到800V?
1)特斯拉的充电方案和市场上其他不太一样。充电功率最大是V3 250KW,电流已经很大,采用水冷的冷却方案,仍然充电时间要30分钟左右。
2)800V方案,快充功率能做到400-500KW以后,基本十分钟就能充到400公里左右的情况。
目前看特斯拉并没有新的800V方案出来。

14、如果用800V的大功率快充和特斯拉的400V的大电流快充成本比较?
现在大功率快充的成本主要取决于:
1)良好的冷却系统
2)模块
3)通讯
模块这块,英飞凌50-60KW的碳化硅方案已经出来了,模块成本看功率,碳化硅体积变小,效率更高。
硅的快充方案和碳化硅的快充方案相比,我认为碳化硅依然会贵1.2倍:
1)碳化硅整体的边际效应,体积会降很多,用的器件更少;
2)水冷用碳化硅以后就不用了,也是一个问题。目前还没有定论,将来可能也会用,因为充电线路损耗非常大,水冷以后不会少。
总体来说,碳化硅800V以后,充电桩本身的价格一定会增加。

15、碳化硅供应链情况?
国外:欧洲就是瑞典的Norstel是做衬底和外延、英飞凌是外延、芯片、封装,ST是芯片和外延,封装买Norstel和科锐的,博世也在做晶圆、丹佛斯做封装。日本是住友,罗姆是全产业链IDM模式、三菱电机。美国做的是科锐做衬底、外延和芯片,奥瑞是衬底和外延,芯片、封装是安森美还有一个博格华纳下面的公司。

国内:三安是全产业链去做,2019当年设备没到位,后面设备到位以后基本具备全产业链,但是跟国外比技术还是差一些的,华大半导体其实在2019在临港建了一个6寸线,还有在香港有一个阿尔法APS的设计公司,全产业链主要就是厦门的三安和华大半导体,还有一家世纪金光主要是外延和衬底,但是他们在汽车领域没有很多导入。

衬底本身主要是山东天岳,外延是东莞天昱和厦门的瀚天天成,芯片是中电55所和深圳基本半导体,台湾的翰兴科技是芯片设计公司,性能和产品是非常不错的,是分立器件后面也在做模块,是全部汽车认证的,泰科天润的二极管在2020年已经经过国际车企认证了。

封装:斯达用科锐的芯片给小鹏G9供的800V方案,杭州士兰微也在发力,目前还是在封装这一块,国内有3家比较完整,目前来看三安在上汽系里面做认证和认可,但是还没有上到车企,华大在充电桩里占的量还是比较大的,翰兴在DC-DC和充电桩里面还有很大的量。

16、碳化硅相对于IGBT体积减小比例多少?
150KW的逆变器要10-20公斤,体积和重量减小要20%-30%左右。重量优化是对一体车身的优化,这样的降10几斤的重量优化对整体的续航里程提升不是特别大。

17、新能源车中低端车IGBT的渗透率水平?
1)中低端的车像A00级车的80V的方案有用分立的MOS管在做,也有在用分立的IGBT来做;
2)总体来看A0级以上100%都是在用IGBT来做。

18、中电科做的器件也挺好的。国内器件厂里,中电科、三安、东尼这几家哪家做的好?
1)中电产业链布局优势中等,技术能力很优秀,汽车技术认证基本没有。中电55所做的时间比较长了,但是衬底和外延是买的,有一条6寸的生产线,还有一条4寸线,做外延和芯片设计和生产。
2)三安目前来看,产业链布局比较完整,产品出货不是特别多,技术能力中等偏上、汽车认证中等偏上,综合下来还是非常靠前的。

19、除了在主驱会用到功率半导体以外, 400V升到800V其他地方的功率半导体产品会有变化吗(比如DC-DC)?
它主要是有两块,第一个是主驱单元,叫做power chain。第二个是供电单元(分为两块):第一块是充电机(充电宝);第二个是高压转低压的直流变换器,也就是DC-DC。

充电机OBC会有很大的变化,电压升高800V以后,现在用的650V的硅方案基本上就不会使用了,这一块就会通过碳化硅的方案做。11KW的充电机全部会用碳化硅的方案,充电机从全硅方案向碳化硅转变,价值量会直接转移。如果是666KW,后期是800V可能会好一些,11KW基本都会用800V方案,用1200V的碳化硅去做。

DC-DC在电池到了800V以后,加压的时候选的器件一定是800V的,考虑到高频特性(OBC也是这样的,考虑到碳化硅的优势也是高频特性比较好),1700V的IGBT也不能选(效率太低),IGBT还是要选碳化硅的方案。所以从400V到800V过渡以后,充电里的关键功率器件70%以上可能都要换成碳化硅的方案。

20、22-23年会是800V旗舰电动车大规模发布,现在会有哪些主流厂家参与到800V车型当中,并且用到碳化硅的功率模块(包括OEM和功率模块的供应商)?
主流的玩家今年是小鹏,2023年是理想ONE,其他的比如NIO也在做估计明年到后年才能出来,预计2024-2025年才是产品大年,包括东风岚图、北汽等也在做这个方案,但是目前没有看到可以量产的车型。理想ONE现在是最迫切的,2023-2024年一定会量产电动车(800V)。
主流厂家的布局主要是斯达跟科锐的合作(给小鹏基于HPD Drive SRC的方案正在做),还有就是士兰微也在布局(并无客户信息),海外主要是英飞凌和博世,博世给理想开发,包括小米,小米在2024年是做800V的(重点关注)。

21、碳化硅衬底通过哪几个指标衡量做的好坏(Tire1衡量还是车企指定)?
目前车企并没有进入到这个地步,一般都会挑选后自己评估。国内天岳、三安做得好一些,华大积塔正在做测试,很多主机厂做下来整体对华大和三安还是比较满意的。但是跟国外的科锐和住友对比还是有很大差距的,比如最近罗姆产能释放以后国内就把他买断了,换句话说国内还有很长的路要走,具体数据暂时没有,主要还是看半导体厂商本身的材料选型。

22、天岳是做半绝缘的衬底比较多,主要是对应射频这一块,他做的不错是指导电型在车用领域做的不错还是在下游领域车厂应用有一些突破?
天岳在汽车领域目前还没有,刚刚说的是华大和三安在汽车领域做的不错。

23、天岳在导电型的对应做功率半导体这一块做的怎么样?
目前和主流Tire1沟通下来,他的导入不是很明显,目前看来结果并不是特别多。

24、测试情况指标?
不是很了解,我们有几家重点的主要是华大和三安,包括海外的X-fab现在也在做,但是他们家现在在汽车里面应该没有做过真正导入也没有测试结果,其他不是很了解。

25、目前包括DC-DC、电控、OBC、充电桩的碳化硅需求量(比如die size 5*5来看(800V),每个模块大概需要多少个碳化硅芯片)?
现在还没法去拆分,因为每个功率等级和选型方式是不一样的包括良品率也不一样,比如拆分以后40毫欧、30毫欧、20毫欧的选型方式是不一样的,拆分还是需要计算一下的。

26、车企角度选供应商的偏向(比如偏向全产业链的或者如斯达这种采用外采衬底的供应商)?
现在主流的车厂和Tire1选的时候更希望是全产业链的。有几个优势:第一点是产能调配更加容易,产能也更容易保证;第二点是价格优势还是非常大的,例如理想进的前轴(HPD,660安培)定点是定给的中车,当时斯达也参与了,中车比斯达的价格要便宜15%,斯达本身的价格比英飞凌要便宜20%,但是斯达受制于华虹的产线,这里也比较被动。

27、科锐未来战略是做模块,释放出来的衬底较少,会不会给斯达形成一个比较大的压力(因为无人供衬底),车企会不会有这样一个担忧?
这个担忧还是有的。根据我的了解,科锐做封测的可能性不太高(与销售的沟通结果),因为利润率不是很高意义不是特别大,他们做了一些小的单管在卖,但是价格很贵,所以在市场表现并不是特别好,但是在市场上卖衬底很划算。

28、现在有一些车厂会切进来做封装电控模块(比如特斯拉自己做模块),未来国内车厂有没有意向/能力去自己做封装模块吃掉这一块蛋糕?
其实特斯拉并没有吃掉这一块,特斯拉产品是ST做的,封装也不是特斯拉做的,他是定义了一款产品。其实特斯拉是把电控产品集成了而不是集成了芯片和模块,特斯拉模块是没有集成的,有一些烧结工艺都不是他的。

国内有很多车厂有这样的想法,分两步:第一步是想先做电控(看看自己是不是能做),第二个是想做模块(比如理想想做一些),但是我觉得这样的投入会非常大,技术积累也很长,未来2-3年不会有结果的,大概率是电驱动这种部位买一些模块自己来搭建一下。

29、特斯拉碳化硅的MOS模块是ST给做的,他只是拿回去做电控了?
对的,做了激光焊接,包括和板子的焊接,还做了后加工过程。不是早期的比如从晶圆选择,封测包括连接方式、烧结技术等,特斯拉是没有做这一块的。

30、国内MOS有哪些厂家在大批量出货吗,没有大规模出货的里面谁的进展会快一些?
现在看来MOS管一个是华大一个是翰兴。翰兴科技(台湾)是大规模出货的;华大半导体下面的APS也是在大规模出货的;中车也有一些(1200V、30A在2020年出来的)但是量不大。剩下都是在做二极管,包括深圳基本半导体的MOS管也没有完成,要到明年才能开发出来;泰科天润也是二极管这一块。

31、三安现在有没有大批量的MOS?
三安也有,但是量也不是很大。翰兴和华大是大规模出货是因为翰兴是台湾的一个比较早期的公司;华大是设计公司在香港,早期是X-fab和汉磊代工的,他们都比较有基础所以做的量比较大。

32、车规进展比较快的是华大和三安的?
是的,翰兴已经基本达到100%都是车规的了。

33、华大和三安是分立器件的碳化硅的MOS还是模块进展快?
是晶圆(芯片),不是封装好的,是芯片给别人封装做的比较快,因为他是全产业链的布局,特别是在外延和衬底。
34、产品进展比较快是用在主驱上还是OBC还是DC-DC上?
用在主驱上。

35、产品什么时候能上量?
至少还要2-3年,芯片出来还需要整车级的认证,一个是芯片测试(留片就要好几个月),流片出来还要分批次,要分好几个批次流片然后做可靠性测试,后面再到整车级的测试,过程至少要2-3年。
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    辛苦辛苦
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