800V與碳化硅成為新能源汽車(chē)電驅(qū)的新寵，器件性能與可靠性還有上升空間

1 我國(guó)能源汽車(chē)已突破1000萬(wàn)輛，今年將增長(zhǎng)24%

據(jù)賽迪顧問(wèn) 2024 年 12 月發(fā)布的數(shù)據(jù)，我國(guó)新能源汽車(chē)的新車(chē)全球市占率有望穩(wěn)居七成以上，我國(guó)從汽車(chē)大國(guó)邁向汽車(chē)強(qiáng)國(guó)的步伐更加堅(jiān)實(shí)。

據(jù)中國(guó)汽車(chē)工業(yè)協(xié)會(huì)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2024年我國(guó)汽車(chē)產(chǎn)銷(xiāo)分別完成3128.2萬(wàn)輛和3143.6萬(wàn)輛，同比分別增長(zhǎng)3.7％和4.5％，繼續(xù)保持在3000萬(wàn)輛以上規(guī)模，產(chǎn)銷(xiāo)總量連續(xù)16年穩(wěn)居全球第一。其中，新能源汽車(chē)產(chǎn)銷(xiāo)首次突破1000萬(wàn)輛，分別達(dá)到1288.8萬(wàn)輛和1286.6萬(wàn)輛，同比分別增長(zhǎng)34.4％和35.5％。市占率方面，2024年新能源汽車(chē)新車(chē)銷(xiāo)量達(dá)到汽車(chē)新車(chē)總銷(xiāo)量的40.9％，較2023年提高9.3個(gè)百分點(diǎn)，繼續(xù)成為我國(guó)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的重要增長(zhǎng)點(diǎn)。

展望2025年，中汽協(xié)專(zhuān)務(wù)副秘書(shū)長(zhǎng)許海東稱(chēng)，2025今年車(chē)市仍有望保持增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，預(yù)計(jì)全年產(chǎn)銷(xiāo)量或達(dá)到3290萬(wàn)輛。新能源汽車(chē)有望繼續(xù)保持高增長(zhǎng)，同比增長(zhǎng)24.4%，達(dá)到1600萬(wàn)輛。

可見(jiàn)，當(dāng)前中國(guó)新能源汽車(chē)的年均增速有所放緩，趨于一個(gè)增長(zhǎng)緩慢、存量競(jìng)爭(zhēng)的時(shí)代。換句話說(shuō)，我們已經(jīng)跨越了新能源汽車(chē)的增長(zhǎng)鴻溝，進(jìn)入了市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)時(shí)代。而之前我們是政策驅(qū)動(dòng)的?！笆袌?chǎng)驅(qū)動(dòng)”意味著消費(fèi)者已經(jīng)認(rèn)可新能源汽車(chē)了。

新能源汽車(chē)的發(fā)展也由上半場(chǎng)的電動(dòng)化，進(jìn)入到下半場(chǎng)的智能網(wǎng)聯(lián)化。但是對(duì)于汽車(chē)電動(dòng)化從業(yè)者，下一步還要在技術(shù)上持續(xù)精進(jìn)，在密度、效率、可靠性、舒適性等方面持續(xù)創(chuàng)新，與車(chē)輛的智能網(wǎng)聯(lián)化相互賦能。

2 引領(lǐng)靠電池 ，關(guān)鍵在電控

新能源汽車(chē)發(fā)展的第一步是電氣化。電氣化圍繞兩大系統(tǒng)：能源系統(tǒng)，轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。涉及電池、電機(jī)和電控（俗稱(chēng)“三電”）。實(shí)際上，我國(guó)汽車(chē)電氣化的引領(lǐng)靠電池，關(guān)鍵在電控。我國(guó)經(jīng)過(guò)多年“三橫三縱”¹技術(shù)研發(fā)布局，在“三電”技術(shù)方面已取得了突出成績(jī)。預(yù)計(jì)“十五五”時(shí)期，我國(guó)新能源汽車(chē)整體技術(shù)水平有望大幅提升。

表1 我國(guó)新能源汽車(chē)關(guān)鍵技術(shù)演進(jìn)趨勢(shì)

數(shù)據(jù)來(lái)源：賽迪顧問(wèn)，2024年11月 

3 800V高壓化網(wǎng)絡(luò)是趨勢(shì)

把能源轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，通常采用高壓轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其技術(shù)已經(jīng)非常成熟，電池、電驅(qū)、充電產(chǎn)業(yè)鏈幾乎全部國(guó)產(chǎn)化。高壓化包括車(chē)上系統(tǒng)的高壓化、補(bǔ)能系統(tǒng)的高壓化，以及充電樁、三電系統(tǒng)和基礎(chǔ)設(shè)施，還有功率半導(dǎo)體，只有這些都具備了高壓化，才是完整達(dá)成的狀態(tài)。

高壓域已進(jìn)入深度集成化。過(guò)去十年從分體式逐步走向物理集成，逐步走向了深度的功能集成。功能集成有賴(lài)于半導(dǎo)體芯片的集成。

據(jù)IHS數(shù)據(jù)，到2030年800V系統(tǒng)的增長(zhǎng)速度會(huì)越來(lái)越快。據(jù)極氪統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，2024年8月滲透率接近10%，預(yù)計(jì)2025、2026年會(huì)發(fā)展加速，因?yàn)楝F(xiàn)在很多在開(kāi)發(fā)車(chē)輛是800V系統(tǒng)，而且800V供應(yīng)鏈也基本成熟，所以800V趨勢(shì)越來(lái)越明顯。 

4 控制系統(tǒng)趨向于集成融合

架構(gòu)方面，域架構(gòu)正轉(zhuǎn)向中央計(jì)算架構(gòu)。過(guò)去幾年一直圍繞著車(chē)身域、座艙域、底盤(pán)域、動(dòng)力域、娛樂(lè)域等。但是現(xiàn)在中央計(jì)算架構(gòu)的ECU（電控單元）變少了，即ECU融合域，甚至部分域放到云端去了，讓云端去計(jì)算。這時(shí)對(duì)控制要素的傳感器和可執(zhí)行部件的要求更高。

從邏輯計(jì)算進(jìn)化到SoC/深度集成，采用中央控制，再傳達(dá)到執(zhí)行器，都會(huì)做更深度的集成。因此電驅(qū)、充電、空調(diào)壓縮機(jī)、電加熱器等都會(huì)進(jìn)入到半導(dǎo)體的深度融合，以提高功率密度和效率。

基于功率半導(dǎo)體和控制芯片的發(fā)展，帶動(dòng)了電力電子技術(shù)的發(fā)展。例如相比10年前，現(xiàn)在的功率密度翻了不止一倍。由400V到800V，電壓越來(lái)越高，效率越來(lái)越高，安全級(jí)別越來(lái)越高，集成度越來(lái)越高。

在中國(guó)市場(chǎng)，電動(dòng)化已經(jīng)成熟，無(wú)論是充電、電驅(qū)及相關(guān)產(chǎn)品，還是上一級(jí)供應(yīng)鏈，廠商已完成了“0→1”的狀態(tài)。現(xiàn)在進(jìn)入到“1→N”，即進(jìn)入到存量競(jìng)爭(zhēng)時(shí)代。因此為了在市場(chǎng)上生存，需要在差異化上下功夫。極氪智能科技威睿電驅(qū)產(chǎn)品總監(jiān)劉波指出有三方面需要精進(jìn)：在產(chǎn)品上，要考慮平臺(tái)化和規(guī)?；?yīng)；在產(chǎn)品創(chuàng)新上，考慮技術(shù)和工藝創(chuàng)新；產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力上，要保持差異化優(yōu)勢(shì)，成本力，供應(yīng)鏈穩(wěn)健化，質(zhì)量服務(wù)。

5 碳化硅走向成熟

在電氣系統(tǒng)中，電壓越高，電流越大，則輸出功率越大，代表功率密度越大。功率密度是電力電子系統(tǒng)/動(dòng)力系統(tǒng)追求的最核心指標(biāo)，因此800V趨勢(shì)越來(lái)越明顯。

適合800V的前提是碳化硅（SiC）產(chǎn)業(yè)鏈一定要成熟。因?yàn)镮GBT在800V時(shí)支撐不了大電流，而且可靠性也不夠高，而汽車(chē)對(duì)可靠性的要求非常嚴(yán)苛。

IGBT已基本完成了國(guó)產(chǎn)替代。碳化硅現(xiàn)在還處于封裝階段是國(guó)產(chǎn)的，個(gè)別國(guó)產(chǎn)芯片已經(jīng)上車(chē)了，但量還不太大。

電驅(qū)系統(tǒng)的目標(biāo)是提升功率/扭矩密度和效率。采用的途徑是通過(guò)電流的最大化來(lái)壓縮電機(jī)的體積。因此電驅(qū)系統(tǒng)離不開(kāi)功率半導(dǎo)體和電機(jī)的創(chuàng)新。功率半導(dǎo)體由IGBT轉(zhuǎn)向碳化硅，使電流輸出也提升了，但是目前國(guó)內(nèi)的狀況是封裝還是沿用以前的封裝，這是接下來(lái)要去更優(yōu)化的方面。

實(shí)際上，功率器件是汽車(chē)半導(dǎo)體中國(guó)產(chǎn)化最高的芯片。功率芯片包括 IGBT、硅基 MOS、碳化硅等。硅基半導(dǎo)體的性能提升已接近極限，寬禁帶半導(dǎo)體的優(yōu)勢(shì)逐步體現(xiàn)出來(lái)，對(duì)硅基半導(dǎo)體可謂碾壓式的存在。

從全球角度，碳化硅商業(yè)化的幾個(gè)條件都已具備，諸如成本、良率、可靠性。而且隨著國(guó)際碳化硅大廠在向8英寸晶圓和襯底邁進(jìn)，成本還在持續(xù)下降。從性能角度，相對(duì)IGBT已超過(guò)好幾倍。

從商業(yè)化角度，碳化硅也進(jìn)入快速增長(zhǎng)期。預(yù)計(jì)未來(lái)幾年到2030年，碳化硅的市場(chǎng)滲透率會(huì)越來(lái)越高。

國(guó)產(chǎn)碳化硅在逐漸嶄露頭角了。實(shí)際上，我國(guó)供應(yīng)鏈的穩(wěn)健要依賴(lài)國(guó)產(chǎn)碳化硅供應(yīng)鏈的崛起。有一部分國(guó)產(chǎn)碳化硅已經(jīng)上車(chē)了，預(yù)計(jì)2025和2026年會(huì)慢慢上量。

6 碳化硅性能還有上升空間

為何碳化硅比IGBT有很大優(yōu)勢(shì)？實(shí)際上，400V平臺(tái)和800V平臺(tái)都有幾個(gè)關(guān)鍵的指標(biāo)，電流能力、開(kāi)關(guān)速度、效率、成本、可靠性。碳化硅除了成本貴一點(diǎn)，優(yōu)勢(shì)還是比較明顯的，尤其在800V更占優(yōu)勢(shì)，尤其在電流能力和效率上的優(yōu)勢(shì)更明顯，帶來(lái)的收益是續(xù)航里程的延長(zhǎng)，功率密度的提升/整體尺寸變小。但是碳化硅還有一些性能有待提升，高頻率和高溫特性還沒(méi)有體現(xiàn)出來(lái)，這是接下來(lái)差異化要著力的區(qū)域。

高頻率可提升效率，進(jìn)而提升密度。高耐溫允許功率器件提升電流密度，降低材料成本。改善二者的方法主要靠封裝和材料。

封裝技術(shù)將是核心競(jìng)爭(zhēng)力之一。因?yàn)閷捊麕О雽?dǎo)體器件性能還沒(méi)有完全發(fā)揮出來(lái)。通常，寬禁帶半導(dǎo)體的工作穩(wěn)定性可以到二三百℃，但現(xiàn)在主要工作在175℃的場(chǎng)景下，還有很大的發(fā)揮空間。

從封裝的角度，有三個(gè)維度要去考量：材料匹配，熱阻優(yōu)化、雜散電感。雖然我們的封裝已國(guó)產(chǎn)化了，但這些細(xì)節(jié)的底層技術(shù)和底層邏輯的研究還不夠深。例如沒(méi)有幾家有應(yīng)用手冊(cè)，因此在材料匹配上難以追溯。

7 可靠性將是未來(lái)的競(jìng)爭(zhēng)焦點(diǎn)

從產(chǎn)品角度我們現(xiàn)在有了產(chǎn)品，接下來(lái)更進(jìn)一步的是提高可靠性。對(duì)于國(guó)產(chǎn)產(chǎn)品，無(wú)論是功率半導(dǎo)體還是芯片，對(duì)可靠性要求以后是越來(lái)越激烈的一個(gè)話題，例如怎么證明可靠性？

例如現(xiàn)在國(guó)產(chǎn)比較快，包括車(chē)企、一級(jí)供應(yīng)商和上游的半導(dǎo)體供應(yīng)商都速度較快，但大部分只完成了測(cè)試流，可靠性流還沒(méi)有做完，有時(shí)拿不出數(shù)據(jù)。

所以要進(jìn)一步去研究可靠性，例如研究它的壽命、篩選的方法、EOL測(cè)試，保證把早期有缺陷的東西留在出廠前。之后會(huì)發(fā)貨給客戶進(jìn)行測(cè)試。如果這個(gè)良率不行，客戶會(huì)停用。良率合格后再賣(mài)到市場(chǎng)。市場(chǎng)上也會(huì)反饋一個(gè)良率，這個(gè)良率要求就更高了。

再簡(jiǎn)單舉個(gè)例子，某器件的失效率的標(biāo)準(zhǔn)要求是100FIT，按照8000個(gè)小時(shí)運(yùn)行，實(shí)際轉(zhuǎn)化出來(lái)的是800 ppm。如果未來(lái)時(shí)間要求更高，例如12,000小時(shí)，還會(huì)往下降，到600、500 ppm了。

實(shí)際上，800 ppm往往指整個(gè)系統(tǒng)動(dòng)力系統(tǒng)的800ppm，到功率模塊級(jí)別的要求要更高，因?yàn)閯?dòng)力系統(tǒng)里有幾百個(gè)半導(dǎo)體器件，每個(gè)半導(dǎo)體分一點(diǎn)兒失效率，分到功率半導(dǎo)體的就更少。

這也是為什么國(guó)際廠商推出來(lái)ppt(十億分之一,ppm的千分之一)。因此要做到100ppm，對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)、工藝、測(cè)試方法、研究深度等都提出了更高的要求。

從晶圓層面和芯片層面有一些測(cè)試的要求，其實(shí)國(guó)產(chǎn)功率器件廠商現(xiàn)在對(duì)上游供應(yīng)商也是這么嚴(yán)格要求的，國(guó)產(chǎn)功率器件廠商會(huì)深入到下面去研發(fā)，包括對(duì)這些參數(shù)去做定義。據(jù)極氪智能科技電驅(qū)產(chǎn)品總監(jiān)劉波稱(chēng)，他們已探討出來(lái)一種方法，即從晶圓層面、模塊層面還有系統(tǒng)層面的研究，以降低原始失效率這樣的模式，盡量把失效率拉到最低的位置，但在理論上永遠(yuǎn)拉不到0，只能拉到隨機(jī)失效的一個(gè)區(qū)域，至少不讓它早期失效，或者早期失效/缺陷的產(chǎn)品不能流通到市場(chǎng)上。 

備注：

¹ 三橫三縱。“三縱”為混合動(dòng)力汽車(chē)、純電動(dòng)汽車(chē)、燃料電池汽車(chē)，“三橫”為動(dòng)力電池與管理系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)與電力電子、網(wǎng)聯(lián)化與智能化技術(shù)。