在過(guò)去兩年中，全球汽車市場(chǎng)見證了對(duì)電動(dòng)汽車的快速需求激增。盡管 COVID-19 大流行嚴(yán)重影響了汽車市場(chǎng)，但電動(dòng)汽車銷量在 2020 年和 2021 年實(shí)現(xiàn)了創(chuàng)紀(jì)錄的增長(zhǎng)。例如，2021 年，全球電動(dòng)汽車銷量（BEV 和 PHEV）總計(jì)約 580 萬(wàn)輛，同比增長(zhǎng)約 79.3%。未來(lái)五年市場(chǎng)有望持續(xù)保持兩位數(shù)增長(zhǎng)。
這一增長(zhǎng)將受到重大財(cái)政激勵(lì)措施的推動(dòng)，例如所有地區(qū)政府實(shí)施的購(gòu)買激勵(lì)措施和車輛登記稅退稅。此外，世界各國(guó)政府的快速脫碳戰(zhàn)略將有助于電動(dòng)汽車銷量的增長(zhǎng)。全球已有 20 多個(gè)國(guó)家宣布在未來(lái) 10-30 年內(nèi)逐步淘汰傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)汽車，全球有 100 多個(gè)國(guó)家的目標(biāo)是在未來(lái)幾十年內(nèi)實(shí)現(xiàn)凈零排放。
此外，幾家領(lǐng)先的原始設(shè)備制造商已經(jīng)宣布了遠(yuǎn)見卓識(shí)的計(jì)劃，以重新配置其產(chǎn)品線以應(yīng)對(duì)預(yù)期的電動(dòng)汽車熱潮。下面列出了一些最近的 OEM 公告。
沃爾沃的目標(biāo)是從 2030 年起實(shí)現(xiàn) 100% 的電動(dòng)汽車銷量；福特將從 2030 年起在歐洲實(shí)現(xiàn) 100% 的電動(dòng)汽車銷量；通用汽車將從 2035 年起僅銷售電動(dòng)輕型汽車 (LDV)；大眾汽車宣布，到 2030 年，歐洲的電動(dòng)汽車銷量將達(dá)到 70%，中國(guó)和美國(guó)的銷量將達(dá)到 50%；Stellantis 宣布，到本十年末，歐洲 70% 的電動(dòng)汽車銷量和美國(guó) 35% 的電動(dòng)汽車銷量。
從400V轉(zhuǎn)向800V電池系統(tǒng)，為什么？
2021 年，電動(dòng)汽車占全球汽車銷量的 9% 以上，是 2019 年的近四倍。由于上述因素，預(yù)計(jì)未來(lái)幾年電動(dòng)汽車的滲透率將繼續(xù)保持高增長(zhǎng)軌跡。
然而，要成為目前占主導(dǎo)地位的內(nèi)燃機(jī)車輛的可行替代品，下一代電動(dòng)汽車需要更長(zhǎng)的續(xù)航里程、更快的充電能力和更高的功率輸出。為了解決這個(gè)問題，EV 電池架構(gòu)需要更高的電壓；因此，從 400V 到 800V 的轉(zhuǎn)變是不可避免的。
從 400V 轉(zhuǎn)換到 800V 的好處：
由于高達(dá) 350-360kW 的更高充電功率輸出，與 400V 電池系統(tǒng)相比，充電時(shí)間減少了 50%。這些車輛有可能在不到 23 分鐘的時(shí)間內(nèi)從 5% 充電到 80%（200 英里范圍）！有了超快的充電速度，就不需要續(xù)航里程達(dá) 1000 公里的電池
將電池電壓從 400V 加倍至 800V 可降低充電所需的電流，從而減少過(guò)熱并提高功率保持能力。這有助于延長(zhǎng)行駛里程和提高性能水平。
截至 2022 年年中，市場(chǎng)上的大多數(shù)電動(dòng)汽車都使用 400V 電池系統(tǒng)。然而，EV 制造商意識(shí)到轉(zhuǎn)向 800 V 架構(gòu)可以帶來(lái)的技術(shù)商業(yè)優(yōu)勢(shì)。因此，預(yù)計(jì)未來(lái)幾年將迅速向 800V 系統(tǒng)過(guò)渡，到 2027-2030 年，90% 以上的電動(dòng)汽車可能會(huì)配備 800V 電池系統(tǒng)。
目前，800V EV 處于商業(yè)化的早期階段。奧迪、保時(shí)捷、現(xiàn)代和起亞等汽車制造商已經(jīng)在銷售 800V EV 系統(tǒng)，而 LUCID motors 在其車型 Lucid Air 中內(nèi)置了 900V 電池系統(tǒng)。2019 年推出的保時(shí)捷 Taycan 是市場(chǎng)上第一款 800V 電動(dòng)汽車，充電功率為 270kW，而 Lucid Air 是市場(chǎng)上充電速度最快的電動(dòng)汽車，充電功率輸出為 350kW。現(xiàn)代汽車承諾到 2025 年將推出 23 款配備 800V 系統(tǒng)的 EV 車型。
寬禁帶半導(dǎo)體，實(shí)現(xiàn)向 800V EV 系統(tǒng)的轉(zhuǎn)變
硅基 MOSFET 和 IGBT 是電動(dòng)汽車行業(yè)中占主導(dǎo)地位的功率半導(dǎo)體器件技術(shù)。然而，硅基功率半導(dǎo)體已達(dá)到 400V EV 的理論性能極限。因此，隨著移動(dòng)行業(yè)向 800V 電池架構(gòu)過(guò)渡，需要更新的材料，如寬帶隙 ( WBG )) 提供更好電氣和熱性能的半導(dǎo)體優(yōu)于硅基半導(dǎo)體。碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN) 是兩種 WBG 半導(dǎo)體材料，在電動(dòng)汽車中獲得最大牽引力，適用于牽引逆變器、車載充電器和 DC-DC 轉(zhuǎn)換器等應(yīng)用。具體而言，SiC 繼續(xù)吸引所有主要電動(dòng)汽車制造商的更多興趣，并被認(rèn)為是電動(dòng)汽車中 800V 電池系統(tǒng)的必然選擇。所有主要的汽車原始設(shè)備制造商都致力于在當(dāng)前和未來(lái)的產(chǎn)品中開發(fā) 800V EV 系統(tǒng)。
1、牽引逆變器中的 SiC，支持 800V EV 的關(guān)鍵應(yīng)用
牽引逆變器是最關(guān)鍵的電動(dòng)汽車系統(tǒng)之一，負(fù)責(zé)車輛的整體性能。牽引逆變器在電動(dòng)汽車中的關(guān)鍵作用是：
a、將電池的直流電轉(zhuǎn)換為牽引電機(jī)的交流電
b、將交流電轉(zhuǎn)換回直流電以進(jìn)行再生制動(dòng)
c、根據(jù)駕駛員輸入的加速器控制 EV 電機(jī)速度。
重點(diǎn)正在轉(zhuǎn)向開發(fā)具有 SiC 模塊的 800V 牽引逆變器。幾家汽車一級(jí)供應(yīng)商一直在展示他們的 800V 逆變器能力。Delphi Technologies（現(xiàn)已被 BorgWarner 收購(gòu)）是業(yè)內(nèi)第一家使用 Wolfspeed 的 SiC MOSFET 量產(chǎn) 800V SiC 逆變器的公司。McLaren Applied 在 2022 年初展示了其基于 800V SiC 的牽引逆變器（逆變器平臺(tái)第 5 代）。Vitesco 與一家北美主要汽車制造商（福特或 Stellantis）簽署了一項(xiàng)價(jià)值近 10.8 億美元的交易，從2025 年。同樣，Marelli 在 2022 年年中推出了 800V-SiC 牽引逆變器平臺(tái)。同樣，博格華納正在為一家德國(guó) EV OEM 開發(fā)基于 SiC 的逆變器。
2、SiC，在電動(dòng)汽車牽引逆變器的半導(dǎo)體競(jìng)賽中領(lǐng)先
在支持 800V 的牽引逆變器中使用 SiC MOSFET 可實(shí)現(xiàn)速度更快、效率更高且重量更輕的 EV 動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)。與 Si 相比，SiC 產(chǎn)生的熱量更少，對(duì)溫度的敏感性更低，并且能夠?qū)崿F(xiàn)更高效的電源開關(guān)。更少的熱量釋放導(dǎo)致更輕的冷卻系統(tǒng)，從而使逆變器的重量更輕且占地面積更小。SiC 中較高的帶隙導(dǎo)致高溫下的漏電流較低，而高臨界場(chǎng)電壓顯著降低導(dǎo)通電阻，從而實(shí)現(xiàn)更小/更薄的器件。這降低了開關(guān)損耗，提高了載流能力，并實(shí)現(xiàn)了更快的開關(guān)。導(dǎo)熱性是 SiC 脫穎而出的另一個(gè)關(guān)鍵方面。SiC 模塊可以處理高達(dá) 200 ?的結(jié)溫C 與 Si 相比，Si 可以承受高達(dá) 80 ° C 的溫度。另一種著名的 WBG 半導(dǎo)體 GaN 在 800V EV 應(yīng)用中處于非常小眾的開發(fā)和應(yīng)用階段。
圖 1 顯示了 Si、SiC 和 GaN 材料特性的比較。
用于 800V EV 應(yīng)用的 GaN，引領(lǐng)技術(shù)進(jìn)步
GaN 的帶隙、臨界電場(chǎng)和飽和速度幾乎與 SiC 相當(dāng)，甚至更好。然而，其低導(dǎo)熱性對(duì)應(yīng)用于 EV 牽引逆變器等高功率和溫度應(yīng)用提出了挑戰(zhàn)。對(duì)于 GaN，650V 模塊是在 400V EV 系統(tǒng)中找到應(yīng)用的最佳選擇，而 400V EV 系統(tǒng)幾乎由成熟的硅基芯片主導(dǎo)。然而，當(dāng)電壓增加到 800V 時(shí)，GaN 由于其較低的熱導(dǎo)率而失去效率。該行業(yè)正在致力于開發(fā)垂直/3D GaN 結(jié)構(gòu)以支持高功率 EV 應(yīng)用。
如前所述，用于 EV 中 800V 系統(tǒng)的 GaN 技術(shù)仍處于早期商業(yè)化階段。當(dāng)前的 GaN 器件與其他功率器件（基于 Si 和 SiC）的主要區(qū)別之一是前者主要使用橫向器件結(jié)構(gòu)來(lái)導(dǎo)電（Si 上的 GaN、SiC 上的 GaN 或藍(lán)寶石上的 GaN），而后者（Si 和 SiC）器件垂直傳導(dǎo)。因此，為了通過(guò)橫向 GaN 獲得更高的電壓，芯片尺寸需要變大，從縮放的角度來(lái)看這是不可行的。
一些行業(yè)創(chuàng)新者正致力于通過(guò)垂直 GaN 結(jié)構(gòu)和橫向結(jié)構(gòu)中的高級(jí)封裝技術(shù)等進(jìn)步來(lái)提高 GaN 器件的效率，以使 GaN FET 可用于 800V EV 應(yīng)用。例如，Odyssey Semiconductor 最近展示了其 1200V 垂直（GaN on GaN）器件，工程樣品預(yù)計(jì)將在 2023 年由幾家汽車 OEM 進(jìn)行測(cè)試。垂直 GaN 結(jié)構(gòu)以盡可能小的尺寸帶來(lái) GaN 的高開關(guān)效率優(yōu)勢(shì)芯片尺寸與目前僅由 Si 和 SiC 解決的電壓和功率水平相關(guān)。同樣，NexGen Power Systems 最近測(cè)試了其具有商業(yè)可行性的 1200V 垂直 GaN Fin-JFET，在其中，直接使用了VisIC的D3GaN (direct drive d-mode)技術(shù) 。2022 年初，Transphorm 展示了其 1200V 橫向 GaN 功率晶體管，預(yù)計(jì)將于 2023 年提供樣品。此類技術(shù)發(fā)展和熱議凸顯了 GaN 作為電動(dòng)汽車應(yīng)用市場(chǎng)顛覆者的潛力。
400V 架構(gòu)的電動(dòng)汽車也要轉(zhuǎn)向?qū)捊麕?/strong>
由于明顯的原因，轉(zhuǎn)向 800V EV 是不可避免的，但同樣重要的是要注意 400V 系統(tǒng)不會(huì)被淘汰。預(yù)計(jì) 400V EV 將用于對(duì)成本敏感的市場(chǎng)。此外，由于全球各國(guó)制定了新的效率目標(biāo)，即使是 400V 電池系統(tǒng)的電動(dòng)汽車也可能在短期內(nèi)跟隨特斯拉的腳步（其 400V 特斯拉 Model 3 中的 SiC 模塊）過(guò)渡到 SiC。例如，中國(guó)在 2020 年發(fā)布了 2021 年至 2023 年的汽車銷量目標(biāo)，其中將某些電動(dòng)汽車的最大可接受能耗從約 23kW/100kms 降低至約 18kW/100kms。SiC 由于其耐熱性、低導(dǎo)通電阻和比 Si 更快的開關(guān)速度，每千瓦時(shí)的行駛里程增加了近 5-10%。因此，ROHM Semiconductor 和 STMicroelectronics 等公司也為 400V EV 提供 SiC 解決方案。
隨著 SiC 成為電動(dòng)汽車的重要趨勢(shì)，芯片制造商迫切需要進(jìn)行更好的規(guī)劃，以確保最佳產(chǎn)能和穩(wěn)健的供應(yīng)鏈，以應(yīng)對(duì)即將到來(lái)的電動(dòng)汽車 SiC 激增。從平面結(jié)構(gòu)到溝槽結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變，從6英寸到8英寸晶圓的轉(zhuǎn)移，以及產(chǎn)能擴(kuò)張舉措將帶來(lái)成本和性能優(yōu)勢(shì)。此外，為了改善 SiC 晶圓缺陷問題并實(shí)現(xiàn) SiC 供應(yīng)鏈的自給自足，行業(yè)正在見證半導(dǎo)體公司收購(gòu)供應(yīng)方公司的垂直整合趨勢(shì)。此外，汽車原始設(shè)備制造商正在冒險(xiǎn)設(shè)計(jì)和制造自己的牽引逆變器，從而與芯片制造商建立直接關(guān)系，這在傳統(tǒng)行業(yè)中并不常見。
結(jié)論
隨著電動(dòng)汽車行業(yè)從 400V 電池系統(tǒng)轉(zhuǎn)向 800V 電池系統(tǒng)，轉(zhuǎn)向 WBG 半導(dǎo)體似乎是不可避免的。由于其技術(shù)規(guī)格，SiC 目前是汽車制造商的完美選擇。GaN 是一種相對(duì)較新的利基技術(shù)，由于其低導(dǎo)熱性和橫向結(jié)構(gòu)，目前在 EV 電源應(yīng)用中的應(yīng)用受到限制。然而，垂直 GaN 結(jié)構(gòu)和先進(jìn)封裝等技術(shù)進(jìn)步有望為 800V EV 牽引逆變器中的 GaN 提供重要的市場(chǎng)機(jī)會(huì)。
短期內(nèi)，由于全球各國(guó)制定了嚴(yán)格的排放和效率標(biāo)準(zhǔn)，高端 400V EV 也可能采用基于 WBG 的牽引逆變器。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，主要在成本敏感市場(chǎng)中的入門級(jí)和中級(jí) 400V EV 最終將過(guò)渡到 SiC 和 GaN 技術(shù)。
該行業(yè)正在見證傳統(tǒng)供應(yīng)關(guān)系的徹底變革。汽車原始設(shè)備制造商和一級(jí)供應(yīng)商正在尋求通過(guò)與芯片制造商的戰(zhàn)略合作和直接關(guān)系來(lái)確保其組件和芯片供應(yīng)。
此外，汽車制造商正在轉(zhuǎn)向內(nèi)部設(shè)計(jì)牽引逆變器，而不是依賴一級(jí)供應(yīng)商。此外，芯片制造商通過(guò)收購(gòu)供應(yīng)方公司進(jìn)行垂直整合，以更好地控制供應(yīng)質(zhì)量和產(chǎn)品開發(fā)。電動(dòng)汽車從 400V 電池系統(tǒng)過(guò)渡到 800V 電池系統(tǒng)的預(yù)期速度是業(yè)界前所未有的，而半導(dǎo)體領(lǐng)域在實(shí)現(xiàn)這一過(guò)程中起著至關(guān)重要的作用。
隨著硅不再能夠滿足電動(dòng)汽車的性能需求，對(duì) WBG 半導(dǎo)體的競(jìng)爭(zhēng)是全力以赴。器件技術(shù)，無(wú)論是 Si、SiC 還是 GaN，都將找到維持市場(chǎng)轉(zhuǎn)型的方法，并將共存，沒有任何技術(shù)可以完全取代另一種技術(shù)。還有待觀察的是，誰(shuí)吃掉了對(duì)方的多少份餡餅！
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