随着汽车四化进程的演进,电动化作为相对独立的单元,其技术进步得到第三代宽禁带半导体应用的推动,相关器件搭载率提升的同时,也为SiC技术公司的增长带来动力,技术进步的背后,是降本增效的需求。


围绕驱动,一个趋势是电动汽车电压平台将由目前的400伏转向800伏。派恩杰半导体创始人兼总裁黄兴博士认为,不论是电池的充放电还是电机驱动系统,800伏电压平台系统的重量更轻、体积更小,效率也更高。另外,使用800伏的系统,整个线材的电流会更小,可以使用更细的铜线,面积从95平方毫米降低到35平方毫米,在减少线材使用成本的同时,提高了布局布线的灵活性。


从功率器件的成本看,800伏电压平台的功率器件,一般使用1200伏的功率器件,就每千瓦数的成本而言,800伏电压平台的功率器件相比600伏或者700伏、400伏的功率器件要更便宜。


除了汽车平台降本增效的需求,碳中和目标也为SiC的应用提供了增长的大环境——国家相关指导纲要中明确提出,到2025年,国内乘用车平均百公里电耗要低于12度电,新能源汽车的年销量要占到20%。目前,即使是特斯拉model 3,其百公里电耗也要15度电左右,蔚来约23度。要实现2025电耗目标,SiC技术是必选。


“以去年一年销售2500万辆汽车为例,20%的汽车销量就是500万辆汽车,大约要用到100万片6英寸SiC芯片,仅主驱逆变器的使用预计就是500亿人民币的市场。”黄兴分析,“把1200伏的IGBT和1200伏的SiC进行比较,在10 kHz 工作频率,SiC能降低38%的损耗;在30 kHz工作频率,SiC能降低约60%的损耗。随着电机小型化以及静音的这些要求,就有需要把开关频率提升到30KHz以上。”


对于SiC的规模应用而言,成本是最大的障碍,目前,同样功率等级的SiC的成本约为IGBT模块的2.5倍(贵2000左右)。不过,由于效率更高,所以在同样的续航里程下,可以减少电池的装配容量。特别是长续航里程的车,电池成本可以节省人民币3600-7000元,这对车企来说,显然更划算。此外,SiC每年会有约20%的价格降幅,而IGBT已经不会再降。


如果从上游制造成本分析,SiC的优势更明显。“要满足每年500万辆汽车的需求,投资一条IGBT线需要人民币70亿元,而投资一条SiC线去满足这个500亿的市场,只需要16亿。”黄兴说,“此外,高速电机将成为主流。不仅功率密度更高,同时减轻了电机本身的重量。1万转的电机和23000转电机相比,前者重量是16.4千克,而后者只有5.6千克,整个电机重量降了3倍。”


高速电机的驱动将主要采用SiC器件。面对这样一个确定性的增长机遇,有着十余年SiC功率器件开发经验,全球首位在6英寸SiC晶圆上做出3300伏MOS功率器件的的黄兴决定从美国北卡州立大学回国创业,成立派恩杰半导体。三年后,该公司650伏、1200伏和1700伏SiC SBD和MOSFET已经实现量产,并已在400伏主逆变器、PV 1500伏平台、OBC、DCDC通信电源等领域批量应用。其中1700伏SiC应用于工业辅助电源,目前也是该领域唯一一家国产器件供应商。

 

派恩杰半导体1700伏SiC应用于工业辅助电源,目前是该领域唯一一家国产器件供应商。


图:派恩杰半导体1700伏SiC应用于工业辅助电源,目前是该领域唯一一家国产器件供应商。


“我们的MOSFET的HDFM指标全球领先,产品目录在国产器件中非常全面。”黄兴说,“我们和全球最大的SiC代工厂X-FAB合作,他们有30年的车规历史,所以我们的芯片完全符合车规标准。目前代工厂的芯片年供货量能达到上百KK,其中SiC产品的月产能超过5000片。一辆车主驱完全使用SiC的话,一张晶圆约可满足5辆车。同时,我们也是JEDEC标准委员会的成员公司,参与制定SiC和GaN相关功率器件的测试标准。”


作为面向宽禁带功率器件的公司,黄兴的理想是让派恩杰成为中国的英飞凌、罗姆和CREE,建立起自主可控的产业链,而国内电动汽车产业的快速发展提供了契机。目前国内主机厂,不仅新兴汽车厂,如小鹏、蔚来、理想,包括比亚迪、上汽、北汽等这些传统车厂,都在向电动车发力。其中比亚迪、吉利在OBC上已大量使用SiC器件。不同于主驱逆变器的严苛要求,OBC车载充电机的应用门槛相对较低,车厂可以先在OBC导入SiC器件进行验证,再导入到应用要求更高的主驱逆变器上。


由于国内成熟的SiC器件供应商并不多,国产车厂相关供应商还是以CREE、罗姆、ST、英飞凌等为主。派恩杰已经拿到一些车厂的供应商资质,并且产品设计和性能可以和CREE、ST实现pin to pin替换。黄兴表示,在OBC,派恩杰是目前极少数几个送样产品已通过测试的国产厂商之一。而主驱逆变器方面,像比亚迪,也基本是采用CREE的SiC器件,由于需要更长的验证周期,国产器件的导入尚需时日,派恩杰已经就一个样品和封装厂、车厂开始预研。