碳化硅和IGBT，新能源汽车功率器件怎选？

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2023-04-08 07:20:05 575

近期，特斯拉宣布将大砍碳化硅用量75%的消息冲上了热搜。这一消息，也让业内对于碳化硅究竟能否替代IGBT在新能源汽车中的地位，产生了怀疑。曾被“捧上天”的碳化硅是否真的要“跌落神坛”？碳化硅在新能源汽车领域究竟有没有替代IGBT的能力？在这场“代际”之争中，谁会是真正的赢家？

碳化硅“动摇”IGBT地位

在2018年特斯拉将碳化硅应用到其Model 3车型中以前，新能源车中一直使用的功率IC是IGBT。彼时，IGBT是新能源车电控系统的核心组成部分，被誉为新能源车的“心脏”。但随着特斯拉用48颗碳化硅芯片取代原有的84颗IGBT后，碳化硅在新能源车中的应用加速，随着800V高压的到来，IGBT在新能源车中的核心地位开始被动摇。

据Qorvo .现场支持工程师周虎介绍，碳化硅之所以在新能源汽车中更被看好，源于其独有的技术特性。碳化硅器件导通后的特性类似于电阻，且导通阻抗相比硅基IGBT更低，其损耗模型为P=I2*R，在较小功率或较小电流应用中，其损耗小于IGBT，因此碳化硅的这一优点更符合小型轿车的应用场景。而且碳化硅的热传递性非常好，且绝缘能力强，这些特性非常适合高功率的应用。除此之外，碳化硅器件的开关频率可以做得更高，有利于减小磁性器件的匝数并减小体积，也有利于减小滤波电容和母线电容的用量。可以帮助客户减小系统尺寸并减少成本，提高功率密度。

数据来源：网络整理

目前，业界为了兼容全级别车型快充功能开始推动800V电气架构，以实现在功率相同的情况下，通过抬高电池电压，减少流过的电流，减少发热损耗，以提高汽车的续航里程。中国科学院半导体所教授级 .工程师钮应喜介绍，750V以下的应用场景中，硅基IGBT和碳化硅功率器件性能差距不大，二者存在的竞争主要来自成本。但由于IGBT在高压场景中性能会下降很多，800V高压的应用场景成为适用高电压环境碳化硅的主要“秀场”，大大动摇了IGBT的地位。

碳化硅上车是“大胆且冒险的操作”

然而，碳化硅“上车”看似动摇了IGBT的地位，同时也是一个大胆且冒险的操作，从某种意义上而言，碳化硅在短时间内很难撼动IGBT的“江湖地位”。

复旦大学工程与应用技术研究院研究员雷光寅表示，碳化硅作为新技术，从零到一的阶段需要一段时间的磨合期。虽然，特斯拉在2018年便在新能源汽车中采用了碳化硅，但实际上“这是一个非常大胆且冒险的操作”。此前，多方预测显示，碳化硅技术将于2025年左右才能达到上车标准，而特斯拉却将这一时间大大提前。“这是由于特斯拉并非传统车企，而是一家科技公司。采用碳化硅上车的方式来提升公司的科技感，从而市值提升，是一个 .且大胆的方案，但真正的车企并不能将特斯拉作为一个典型的案例来学习。”雷光寅表示。尽管距离碳化硅上车已经历4年，但如今达到车规级标准的碳化硅没有多少，且仍需要一定时间磨合才可大规模达到车规级标准。

成本的制约使碳化硅技术往往只能用在出货量较小的高端车型中。雷光寅向《中国电子报》记者表示：“虽然碳化硅本身价格相比较于硅IGBT相对 .，但是新材料、新技术往往需要更多的宣传力度，这部分额外成本也会增加碳化硅新能源汽车自身的成本。相比较于常规车型而言，高端车型有议价优势，因此高端车型中采用碳化硅的比例会更高。其次，碳化硅新能源汽车属于新技术，在前期的发展过程中需要有磨合期，在这过程中会出现一些问题。而高端车型体量较小，若出现问题进行召回损失也比较小。以上两点原因也导致了现阶段碳化硅在新能源汽车领域难以大规模普及，短时间内也难以替代IGBT的‘江湖地位’。”

周虎表示，不少碳化硅企业开始尝试通过增加晶圆面积来解决碳化硅成本方面的痛点，将传统的4英寸或6英寸晶圆提升至8英寸甚至未来12英寸的晶圆。这是由于不同晶圆面积的切割成本相似，在大尺寸的晶圆上能够切割出更多的die片，从而可以有效降低die片单位成本。但是，在提升晶圆面积的同时，如何保证良率是目前需要解决的挑战，目前良率相对稳定的依旧是6英寸及以下的晶圆。

此外，800V高压作为碳化硅的主要“秀场”，在实施过程中也面临着很多挑战。周虎表示，800V高压在实施的过程中，需要注意以下潜在安全风险：首先，电压提升至800V对于汽车“三电”系统的安全性也带来了很多挑战，空调压缩机、DCDC直流变换器、OBC车载充电机等各项应用场景必须能满足在800V高电压平台上的安全工作。其次，随着电压的提升，平台的绝缘问题也需要加强，否则会发生漏电的情况。最后，由于高电压是通过很多电池串联实现的，在高压及大电流工作环境下如何保证电池的安全，如何合理计算电池整体的续航里程并保证电池的使用寿命也需要更多关注。

代际之争没有 .赢家

事实上，在这场“代际”之争中，没有 .的赢家。未来，二者在新能源汽车市场中的合作关系远远大于竞争关系。

据了解，特斯拉将碳化硅用量砍掉75%，并不意味着这部分的应用将完全放弃碳化硅，而是采用碳化硅+IGBT的组合方式，这一方式也被视为最具成本效益的解决方案之一。

安森美中国汽车市场现场应用经理彭超介绍，目前在高压双电驱应用里，会存在碳化硅和IGBT的“高低搭配”整车系统，既能发挥碳化硅适用于大功率电驱的性能优势，也能发挥IGBT在低功率电驱应用中的性价比优势，可谓一举两得。

意法半导体公司执行副总裁、功率晶体管产品部总经理Edoardo Merli认为，很多电动车开始向双电机技术发展，使得汽车系统部件的重量能够均匀分配、缩小尺寸，还能使车拥有第二个备用驱动。在这一技术下，会同时用到碳化硅和硅功率器件，且都发挥重要作用。例如，碳化硅器件可以应用在低负载条件下，如WLTP驱动循环中，再用硅器件提升车辆的加速性能，二者各司其职，能够共同缩小逆变器尺寸，更具商业价值。

中信证券数据预测，2025年碳化硅+IGBT的双电驱车型占比将达到54%。

未来，二者在新能源汽车市场的占比将处于一种动态平衡状态。雷光寅认为，未来新能源汽车是大趋势，是增量市场。随着碳化硅技术的不断完善，会取代一部分IGBT市场，但是不会完全取代。在碳化硅市场增长的同时，硅基IGBT的市场同样也会增长。碳化硅在技术相对成熟后，未来将在新能源汽车领域保持40%～50%的市场占有率，而IGBT将会保持50%～60%的市场占有率，在总体市场份额不断攀升的情况下，形成动态平衡的关系。

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