高壓快充的風口：這種材料為何是首選，如何邁過成本門檻？
一直以來，“里程焦慮”、“充電緩慢”都是卡住新能源汽車脖子的關鍵問題，是車企和車主共同的焦慮；但隨著高壓電氣技術的不斷進步和快充時代的到來，將SiC(碳化硅）一詞推向了市場的風口浪尖。
繼2019年4月保時捷Taycan Turbo S 全球首發三年后，800V高壓超充終于開始了普及。相比于400V，800V帶來了更高的功效，大幅提升功率，實現了15分鐘的快充補能。而構建800V超充平臺的靈魂就是材料的革新，基于碳化硅的新型控制器，便引領著這一輪高壓技術的革命。
碳化硅的優勢
是什么讓SiC（碳化硅）引領著這一輪高壓技術的革命？
主要是因為，SiC（碳化硅）擁有更高的臨界雪崩擊穿場強、更大的導熱系數和更寬的禁帶。
SiC（碳化硅）具有3電子伏特（eV）的寬禁帶，可以承受比硅大8倍的電壓梯度而不會發生雪崩擊穿，禁帶越寬，在高溫下的漏電流就越小，效率也越高；而導熱系數越大，電流密度就越高。它的絕緣擊穿場強是Si的10倍：因此與Si器件相比，能夠以具有更高的雜質濃度和更薄的厚度的漂移層作出600V～數千V的高耐壓功率器件。
高耐壓功率器件的阻抗主要由該漂移層的阻抗組成，因此采用SiC可以得到單位面積導通電阻非常低的高耐壓器件。
特別是在理論上，相同耐壓的器件SiC（碳化硅）單位面積的漂移層阻抗可以降低到Si的1/300：而Si材料中，為了改善伴隨高耐壓化而引起的導通電阻增大的問題，主要采用如IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor : 絕緣柵極雙極型晶體管）等少數載流子器件（雙極型器件）；但是卻存在開關損耗大 的問題，其結果是由此產生的發熱會限制IGBT的高頻驅動。
SiC（碳化硅）材料卻能夠以高頻器件結構的多數載流子器件（肖特基勢壘二極管和MOSFET）去實現高耐壓，從而同時實現 "高耐壓"、"低導通電阻"、"高頻" 這三個特性。另外，帶隙較寬，是Si的3倍，因此SiC（碳化硅）功率器件即使在高溫下也可以穩定工作。
大功率+高頻+低損耗：難以拒絕的效率吸引力
在整個能源結構升級的過程中，無論是發電端的光伏、風電，輸電端的高壓柔直，用電 端的新能源車、充電樁、白電、工控，對于電壓和能源轉換效率的要求都在不斷提升， 同時在成本和安全約束下也更為看重系統整體的經濟性和穩定性，因此有著更低開關損 耗、更高可靠度、更輕重量、更小體積以及更為耐高溫的碳化硅器件越來越受到下游環 節的關注，尤其是在中壓范圍的光伏、風電、新能源車、充電樁、服務器 UPS 電源、 工控電源、白電，近年來已陸續開始嘗試使用碳化硅器件替代或部分替代原有的硅基 IGBT。
新能源車是未來碳化硅功率器件的主要驅動力。作為電力電子轉換器件，碳化硅器件在 新能源汽車產業存在五個主要應用場景,包括電機控制器（電驅）、車載充電機 OBC、 DC/DC 變換器、空調系統以及充電樁。對于新能源車而言，碳化硅器件要比硅基器件 有著更低的導通損耗、更高的工作頻率和更高的工作電壓，因此其可提高能源轉換效率、 增加續航里程、提升整體功率、降低車身重量和綜合成本，考慮到未來電動車需要更長 的行駛里程、更短的充電時間和更高的電池容量，在車用半導體中，碳化硅將會是未來 新能源車功率器件升級中非常重要的趨勢。目前，OBC 采用的碳化硅 MOSFET 主流規格有 1200V/40mΩ，1200V/80mΩ以及 650V/45mΩ、650V/60mΩ；DC/DC 采用的碳化硅 MOSFET 主流規格為 1200V/160m Ω電控用碳化硅 MOSFET 主流規格為 1200V/15mΩ。
以主驅為例，碳化硅解決方案可以在更低損耗情況下獲得更高逆變器效率。碳化硅在整 個負載范圍內效率提高 1.4%以上，更低損耗意味著更小的冷卻系統和更長電池續航時 間。相比硅基 IGBT，碳化硅電控系統體積更小、頻率更高、開關損耗更低，可以使電 驅系統在高壓高溫下保持高速穩定運行。
簡單而言，碳化硅 MOSFET 方案可顯著節省電動汽車成本： （1）節省電池成本：在 EV 平均工作環境下，碳化硅逆變器的效率比 IGBT 逆變器高 3.4%（負載 15%）。與基于硅基 IGBT 的 85kWh 電池電動汽車相比，碳化硅版本僅需 要 82.1kWh，按照每千瓦時 150 美元的電池成本，ST 測算案例下搭載碳化硅逆變器的 電池成本節省約 435 美元。 （2）散熱器：散熱器的大小必須根據最大工作條件下的功率耗散而定。ST 測算案例下 峰值負載時的逆變器耗散 （250Arms）：與 IGBT 版本相比，基于碳化硅的逆變器只需 耗散 61%的熱量，碳化硅 MOSFET 允許體積更小、更低成本的散熱器。
對于新能源車而言，一方面是電池成本的節省（長續航），一方面也是 800V 快充（快速 充電）的需求，共同催生了對碳化硅器件的更換需求。快充技術的核心在于提高整車充 電功率，也就需要提高整車充電功率，基于功率=電流*電壓的公式，提升功率只有加大 充電電流或提高充電電壓兩種方式，而充電電流加大意味著更粗更重的線束、更多的發 熱量以及更多附屬設備瓶頸，而充電電壓提升則有更大的設計自由度，這直接推動了 400V 電壓平臺向 800V 電壓平臺轉換。
而碳化硅 MOSFET 在 800V 高壓電驅系統應用中具備幾乎無可替代的優勢，最核心的 原因是電壓升高后硅基 IGBT 的導通損耗、開關損耗都有顯著上升，成本升+效率降將 使得 800V 的實際經濟性大為降低，因此在 800V 電壓平臺中，企業更傾向選擇高頻低 損耗的碳化硅 MOSFET 方案，因此目前 800V 電控乃至配套的 OBC 大部分已選用或 規劃采用碳化硅 MOSFET 器件。平臺級別的規劃有現代 E-GMP、通用奧特能（Ultium） -皮卡領域、保時捷 PPE、路特斯 EPA，除保時捷 PPE 平臺車型未明確搭載碳化硅 MOSFET 外（首款車型為硅基 IGBT），其他車企平臺均采用碳化硅 MOSFET 方案。 800V 平臺主要有長城沙龍品牌機甲龍、北汽極狐 SHI 版、理想汽車 S01 和 W01、小 鵬 G9、寶馬 NK1、長安阿維塔 E11 均表示將搭載 800V 平臺，此外比亞迪、嵐圖、廣 汽埃安、奔馳、零跑、一汽紅旗、大眾等也表示 800V 技術在研。
功率器件的“輝煌時代”
在SiC（碳化硅）強大的性能優勢下，其也終于迎來“輝煌時代”：據最近Yole給出的數據顯示：SiC（碳化硅）元件將從2021年10.9億美元成長到2027年63億美元，年復合成長率達到34%。
無論是當代的新勢力車企代表特斯拉還是傳統車企代表通用汽車，它們在2020年和2021年有多款新發布的電動車都在變壓器上采用SiC（碳化硅）元件：根據Yole調查：特斯拉創紀錄的出貨量幫助SiC（碳化硅）元件在2021年超越10億美元銷售額的關卡。
如今通用汽車和特斯拉等汽車制造商正加大投資，讓采用SiC（碳化硅）元件的電動車在充電后，能行駛更遠，并且電池耗盡時，也可更快地充電。
簡單來說，SiC（碳化硅）元件正在推動電動車走向未來。SiC（碳化硅）元件正在爭奪電動車傳動系統核心的80%左右的功率電子裝置，包括將儲存在汽車電池組中的直流電轉換為車輛電動馬達所需的交流電之主牽引逆變器（Main Traction Inverter）；SiC晶片還在電動車其他部分爭取地位，例如車載充電器和直流-直流轉換器。
Yole認為為了滿足長續航里程的需求，800V電動車是實現快速直流充電的解決方案，這就是1200V SiC元件可以發揮關鍵作用的地方。
800V高壓快充，從工程到商業化的障礙
這個行業真正的出發點不是技術，解決高壓快充的技術難點問題不大，而在于規模化的元器件以及上下游的配套，并帶來的成本障礙。
現階段碳化硅價格太貴，晶體的成長速度慢、良品率低，這些問題無法很好解決，它的成本在短時間內就不會降下來。以及，碳化硅生產還將面臨國內能否自主可控的問題，碳化硅功率器件大量依靠海外市場，且在技術上我國與歐美日本等國家相比仍有差距。根據Omdia的數據，2021年意法半導體（ST）占據碳化硅功率器件40%的市場份額，其余如Wolfspeed（科銳Cree旗下）、羅姆（ROHM）、英飛凌也分別占據10%+的份額，呈現一超多強的市場格局。國內廠商入局相對較晚，華潤微、士蘭微、斯達半導、時代電氣、泰科天潤、綠能芯創、上海瞻芯、中電科55所及13所等正積極布局碳化硅器件，例如小鵬G9是采用斯達半導的碳化硅功率模塊用于搭配800V架構。
據了解，從保時捷、沃爾沃，到阿維塔、小鵬，目前支持800V高壓快充的車型均為高端車型，基本都在30萬以上。正由于成本的限制，目前800V高壓快充技術也難以大規模上車應用。
此外，800V所使用的用電設備也面臨高成本的問題。目前國內普通的充電樁，在不計入其他費用的情況下，建設成本高達13.4萬元/樁，而此前保時捷對外公布的800V充電樁的成本高達7位數。
不管是由車企還是電力企業布局，最后依然要看市場的選擇，一方面需要探索盈利的商業模式；另外一方面，標準的統一還需要一個過程。目前，中國和德國、日本等一些電動汽車比較領先的國家進行了充分的協調、溝通，形成了一個ChaoJi充電標準,這是一個可以在全世界通用的標準。
根據中信證券的預計，到2025年超充站保有量滲透率達到公共充電站17%左右，預計形成500億左右的市場空間。也有觀點認為，從理論的提出到實踐，再到規模化后的成本平衡，或許800V真正大規模普及起碼需要五年以后。但盡管如此，對于車企來說，前瞻性的技術規劃和落地很有必要，畢竟800V高壓快充代表著新能源車的又一次進步，這也是給競爭日益激烈的新能源車企的又一次領跑或超車的機遇。
