國内車企如小鵬汽車、廣汽埃安、理想汽車等已經布局了800V快充技術，2022年有望為國内車規800V電壓平台發展元年，碳化矽SiC器件具有高頻率、高效率、小體積等優點，已經被普遍認為是800V平台量産應用的關鍵支撐技術，在下遊需求驅動下，國内外産業鍊布局持續加速。博世、東芝、羅姆、比亞迪、華潤微等傳統的汽車功率半導體企業正在掀起新一輪擴産熱潮，預計未來幾年SiC器件将随着800V平台的大規模上車進入快速爆發階段。
根據中國汽車工業協會資料，我國新能源汽車銷量由2015年的33.1萬輛增至2019年的120.6萬輛，複合增長率達38%，滲透率達到4.7%。根據工信部釋出的《新能源汽車産業發展規劃（2021-2035年）》，2025年我國汽車銷量有望達到3000萬輛，其中新能源汽車占新車總銷量20%，新能源汽車銷量有望達到600萬輛。據天科合達招股書披露，根據現有技術方案，每輛新能源汽車使用的功率器件價值約700美元到1000美元。據相關預測資料顯示，到2025年，新能源汽車和充電樁領域的SiC市場規模将達到17.78億美元，約占SiC總市場規模的七成左右。而中國得益于新能源汽車的快速發展，有望貢獻近半數的市場。
01
800V元年，車企紛紛
推出高壓平台電動車
2019年豪車品牌保時捷推出全球首款800V車型Taycan。2020年比亞迪漢采用了800V架構，2021年上海車展釋出的e平台3.0亦搭載800V架構。随後華為、吉利、廣汽、小鵬、岚圖等Tier1和整車廠/品牌推出了車樁兩端的解決方案，以保障快充使用體驗。我們認為2022年作為800V高壓快充元年，各家主機廠都會紛紛布局。未來兩年高端化是整車廠主戰場，軍備競賽開啟。補能時間是電動車面臨的核心短闆之一，更新800V結構有利于實作快充，在短期内形成對中低端車型的差異化競争力。長期看快充對于中低端車型亦是剛需，800V架構更新具備長期趨勢。
圖：自主品牌、海外合資及造車新勢力紛紛布局800V
資料來源：各公司官網
目前已經釋出的SiC 車型包括特斯拉、比亞迪（漢）、豐田（未來）、Lucid Air、現代E-GMP、奧迪-e-tronGT、野馬Mach-E 等衆多品牌。保時捷Taycan、現代 Ioniq 5、蓮花、Rivian、雷諾和JLR等衆多都宣布了新的800V 汽車平台，這些平台将在2025 年之前采用碳化矽MOSFET。國内方面，目前有6家車企已經布局了800V快充技術，并有望在2021年底後陸續實作量産。比亞迪未來的新能源汽車将全系采用碳化矽，小鵬汽車、廣汽埃安、e平台、吉利極氪、理想汽車、北汽極狐6家都已經布局快充技術，小鵬G9、蔚來ET7 等搭載碳化矽電驅的車型即将陸續傳遞。随着SiC 應用車型不斷增多，800V 高壓平台更新将進一步提升SiC 滲透率。
（1）小鵬汽車：超級充電
在小鵬汽車1024科技節上，主要介紹了4大方面的内容，分别是：超級補能、智能駕駛、智能機器人、飛行汽車。超級補能體系，其核心是“超級充電”和“全面充電體系布局”兩方面的融合，小鵬期望在2023年年内完成部署。
·超級充電：在車、樁、站，三端同時發力，提升超充效率、降低充電成本。車端：在中國首個量産800V的高壓碳化矽平台，實作“充電5分鐘，續航200公裡”，并首個實作量産；樁端：小鵬自研480kW高壓超充樁，從10%-80% 僅需12分鐘，希望率先量産并規模鋪設，同時注重輕量化設計；站端：超充站的自研儲能充電技術，一次儲滿可以滿足30台車不間斷充電，同時擁有支援大功率充電的能力。
（2）廣汽埃安：石墨烯超級快充電池
·廣汽集團釋出石墨烯超級快充電池：廣汽集團董事長曾慶洪在2021年1月16日舉行的“中國電動汽車百人會論壇”上表示，石墨烯超級快充電池，測試可以在8分鐘充滿80%以上電量，裡程達到650公裡，希望2021年年底，全面進行量産。
·廣汽通過在811、622電池的基礎上增加1%-2%的石墨烯正負極材料，來提高電池的充電速度、續航能力，和能量密度。
2021年9月，石墨烯超級快充電池首次搭載在2個版本的AION V車型上，分别是：6C的500km 續航版、3C的500km 續航版。9月29日，廣汽AION V Plus正式上市。
目标是在2021年内布局超過100個超級快充站，實作充電3-5分鐘，續航500公裡。
（3）理想汽車
·布局：理想目前正在研發高壓快充技術，并計劃于2023年推出Whale和Shark兩個純電平台，同年将基于平台推出高壓純電動車型。
·純電車型推出節奏：在2020Q3财報電話會議上李想表示，在400kW快充技術成熟前，理想汽車不會推出純電車型。并表示增程式技術在大型SUV、MPV車型上，具有5-10年的領先優勢。
·400kW快充技術支撐：1）800V 以上的電壓平台；2）500Ah 超級快充的國家标準；3） 4C 充電倍率以上的電池。在2023年理想推出純電車的同時，一部分使用者就立即能體驗到400kW的充電體驗。
02
傳統的汽車功率半導體企業
正在掀起新一輪擴産熱潮
在下遊需求驅動下，國内外産業鍊布局持續加速。12 月3 日，博世中國官方釋出消息稱，博世目前準備開始大規模量産由SiC 制成的功率半導體，旨在将産出提高至上億顆的水準。此前博世已經開始擴建羅伊特林根工廠的無塵工廠中的房間，同時着手研發功率密度更高的第二代SiC晶片，預計将于2022年投入大規模量産。未來越來越多的量産車将搭載碳化矽晶片及功率器件的應用。
東芝、羅姆半導體、富士電機等日本廠商也在積極增産車用SiC功率半導體。其中東芝被曝計劃在2023年将旗下姬路半導體工廠的SiC功率半導體産量擴增至2020年度的3倍，并于2025年進一步擴增至10倍。
羅姆半導體則計劃投資500億日元，在2025年之前将SiC功率半導體産能提高至現行的5倍以上。為更好地聚焦新能源汽車市場，今年10月下旬羅姆與正海集團共同宣布成立一家合資公司——海姆希科，以專注于SiC功率子產品的設計和制造。
據了解，海姆希科的SiC功率子產品計劃于2022年開始在日本羅姆工廠進行小批量生産，2023年在闵行區工廠内進行大批量生産。其第一代産品主要面向電動車逆變器領域，根據客戶車型及應用場景不同，逆變器效率将提升3%至6%左右。
而在國内，随着新能源汽車的快速發展，也吸引了一批企業密集布局。以比亞迪半導體、斯達半導、中國中車、三安光電、華潤微電子、派恩傑等本土企業也都在積極發力，發力車用SiC。其中三安光電已經在湖南建設了國内首條碳化矽全産業鍊生産線，涵蓋長晶、晶圓、外延、晶片、研發、封測環節，于今年6月正式點亮投産。據悉，下一步光伏、新能源和汽車的OBC、DC-DC、主驅都是其重點發力方向。
在車用SiC領域，國内也開始湧現一批新銳力量，并密集獲得資本的加持。今年以來，包括派恩傑、瞻芯電子、阿基米德半導體、積塔半導體、臻驅科技、芯聚能半導體、基本半導體、利普思半導體等在内的多家本土企業均獲得了新的融資，累計融資規模超百億元。
11 月19 日，甯波甬晶第三代半導體産業項目簽約落地中交未來城，項目計劃總投資10 億元，打造第三代半導體産業基地。11 月29日，無錫華潤上華科技有限公司釋出了“SiC 項目新增5 台裝置二次配工程招标公告”，公告顯示該公司将自籌資金建設SiC 工程。11 月30 日，上海積塔半導體官方披露已完成80 億元人民币戰略融資，加大車規級電源管理晶片、IGBT 和碳化矽功率器件等方面制造技術的研發力度。
派恩傑則于近日宣布SiC MOSFET産品在新能源汽車OBC應用驗證取得了重大突破，獲得了新能源汽車龍頭企業數千萬訂單，并已開始低調供貨，目前該公司正着力選址建造車用SiC子產品封裝産線。阿基米德半導體也于近日獲得了3億元天使輪融資,用于推動車規級光伏SiC/IGBT落地。
伴随着相關企業的密集布局，據統計現階段國内碳化矽項目已經有100多個（包括其他非車用項目）。基于此，本土企業在車用SiC領域已經取得了一定的突破。
而且SiC的應用本身還要考慮技術更新和市場效應問題，并不會在短時間就完成對矽基IGBT的替代。據相關機構預計，即便到2025-2026年，SiC的滲透率也不會超過20%，80%甚至更多還會是矽基IGBT。這背後， SiC 長晶技術壁壘高、器件良率低以及成本經濟性等都是亟待攻克的問題。
但值得關注的，由于晶片短缺的持續蔓延，讓越來越多的本土企業意識到了供應鍊自主可控的重要性，一些自主車企也在有意識地扶持本土玩家。吉利就于今年5月份通過旗下威睿電動汽車與碳化矽企業芯聚能半導體等，合資成立了廣東芯粵能半導體有限公司，來布局碳化矽賽道。
上汽集團則在近日通過旗下市場化私募股權投資平台尚颀資本出資了5億元，參與積塔半導體的A輪投資，以助力積塔半導體加快IGBT和SiC功率器件等的研發程序，推動汽車核心晶片自主可控。而在今年年初，尚颀資本還參與投資了上海瀚薪，布局SiC賽道。
03
為什麼800V架構是全級别車型實作快充的主流選擇
對于電池端，快充實質上是提升各電芯所在支路的充電電流，而随着單車帶電量超100kWh以上的車型持續推出，電芯數量增加，若仍繼續維持400V母線電壓規格，電芯并聯數量增加，導緻母線電流增加，對銅線規格、熱管理帶來巨大挑戰。是以需要改變電池包内電芯串并聯結構，減少并聯而增加串聯，方能在提升支路電流的同時維持母線電流在合理水準。由于串聯數量增加，母線端電壓将提升。而100kWh電池包實作4C快充所要求的母線電壓即為800V左右。為了相容全級别車型快充功能，800V電氣架構成為實作快充的主流選擇。
電池充電速度以電流倍率（C）衡量。實際應用中的限制條件是：1）充電槍有最大充電電流限制，2）不同EV有不同的電池容量，均要實作相當的快充時間。
做一個簡單的算術：假設忽略電池包内部電芯連接配接方式，容量75/100kWh的電池包，要求同樣要實作7.5min充滿（
是以，為了向上相容電池容量大高端車快充性能，在設計之初就将整車電壓水準定在800V，電池包内部電芯亦以800V為标準設計串并聯拓撲，最後确定電芯容量。例如，400V體系下，如果是三元電芯，需要400/3.6=112個串聯節點；若4個電芯并聯，則一共需要448個電芯。電池包容量是100kWh，則單個NCM電芯容量為62Ah，對應電芯連接配接方式是4并112串。800V體系下，若電芯規格不變，電芯連接配接方式則變為2并224串。
這樣做的益處有2點，其一是高壓線束規格下降，用量減少，降本減重。在電壓翻倍、充電功率增幅不翻倍的情形下，串聯增加，高壓線束電流變小。其二是SiC逆變器使得電源頻率增加，電機轉速增加，相同功率下轉矩減小，體積減小。電機電壓翻倍，相同功率下電流減半，是以銅線細（但匝數增加，是以用銅量未減小），電流密度小，轉矩變小，若需提升功率，額定電流僅需從400V電機額定電流的一半開始增加。
04
800V高電壓平台難在哪裡？
涉及高壓系統部件都需更新
4.1 400V與800V電壓下整車系統架構基本一緻，或增電源部件
如下圖所示，我們對比發現高壓電氣系統下400V與800V拓撲結構基本一緻，沒有太大變化。
但若800V電壓平台的電車能夠使用之前400V的直流快充樁，則需要在車端增加額外的DC/DC轉換器進行升壓，達到800V及以上才能夠對動力電池進行充電。
我們認為在800V的情況下，整車成本及充電裝置将會更昂貴，800V部件在應用初期更适用于高檔跑車/SUV等，中低端車型在較長時間内采取400V電壓平台仍将是較為經濟的選擇。
圖：400V和800V高壓電氣拓撲結構
來源：eMove360
4.2 高壓零部件及元器件需更提升耐壓等級，要求明顯提升
除去可能新增DC/DC升壓部件之外，在原本的整車高壓電氣架構中直接與高壓系統直接連接配接的子系統部件如：動力電池系統、動力系統（電機、電機控制器）、電源系統（DC/DC、OBC、PDU）以及車内的空調壓縮機、加熱系統等需要提升部件耐壓等級。
在這些子系統部件提升耐壓等級從400V平台升至800V平台後，其所采用的元器件及材料如：線纜、連接配接器、繼電器、保險絲、電容、電阻、電感及功率半導體等耐壓等級需提升至800V及以上。我們認為為了保證産品的品質，在應用初期設計時将有可能需要更高的耐壓等級的部件來滿足絕緣安全備援度的要求。
4.3 800V趨勢下快充電池的需求将會加速
在400V電壓平台下，目前E/E電氣架構下較難突破500A，即200kW以上的快充。但更新到800V電壓之後200kW快充電流可減少一半至250A，800V電壓平台有望使快充功率突破至350kW。
同時，根據Future eDrive-Technologies的測算，在800V平台下100kwh的電池有望減重達25kg，減重的效果較為明顯。
我們認為在800V電壓平台應用的趨勢下，快充将會成為純電動車重要的功能，從400V轉向800V可以通過更多的電池串聯在一起解決電壓提升問題，但更重要的是電池能夠承受大功率充電（2.2C以上）的同時保持較長的壽命，以及大功率充電下的散熱問題，這都有較大的挑戰。
4.4 車載電源行業或充分受益于新增的DC/DC升壓産品及SiC的應用
因為動力電池電壓平台已經更新到800V，目前的OBC、DC/DC及PDU等電源産品都需要從400V等級提升至符合800V電壓平台的應用，SiC器件由于其優異的特性也将開始大規模的應用。
除此之外，直流快充樁原本輸出電壓等級為400V，可直接給動力電池充電，但動力電池為800V後其電壓不再能夠繼續充電，是以需要一個額外的升壓産品使400V電壓能夠上升到800V，進而給動力電池進行直流快充。在此技術方案下，這個器件需要能夠滿足大功率充電的功率，是以其價值量相比傳統DC/DC要更大，而電源企業也将充分受益于此升壓DC/DC産品的配置。
4.5 電機控制器在800V平台下由于SiC的應用，價值量将有較大提升
在800V電壓平台下，根據ST測試資料，SiC器件損耗顯著低于IGBT，在常用的25%的負載下其損耗低于IGBT 80%。我們認為碳化矽器件在800V電壓平台下具有顯著的優勢，将會很快的推展開來。
此外，由于目前SiC MOSFET單管器件的價格仍為Si IGBT價格的3-5倍，而功率器件是電機控制器中最重要的器件之一，是以也會帶來電機控制器價值量的提升。
05
SiC功率器件最受益于800V電壓平台，行業增長空間廣闊
5.1 第三代功率半導體器件根據器件不同應用範圍有所差别
功率器件根據其不同的特性有不同的應用範圍。
5.2 SiC未來的應用的市場主要集中在電動車領域，保持高速發展
SiC市場未來将能夠保持高速發展，根據ST資料，2019年SiC全球市場規模為9.84億美元，但到2025年可達48.32億美元，其中52%的将會應用在汽車領域。其中細分市場複合增速，充電樁領域可達到70.4%，商用車領域可達46.5%，HEV/EV領域可達34.1%。
圖：SiC應用領域及細分市場複合增速
資源來源：ST公司官網
圖：SiC全球市場規模
5.3 SiC器件材料本身擁有更好的特性
在新能源汽車電機控制器當中，電力轉換是通過控制IGBT的開關來實作的。IGBT受材料本身的局限，較難工作在200℃以上。高功率密度的電機控制器需要高效的電力轉換效率和更高的工作溫度，這對功率器件也提出了更高的要求，如：更低的導通損耗、耐高溫、高導熱能力等。
而基于碳化矽（SiC）單晶材料的功率器件，具有高頻率、高效率、小體積等優點（比IGBT功率器件小70%-80%），已經在特斯拉Model 3 車型中得到了應用。
在下圖的參數對比中，SiC材料的性能顯著優于Si及GaN。
圖：材料性能對比， SiC材料性能更優
來源：ST公司官網
5.4 SiC材料制成功率器件後性能優勢明顯
SiC MOSFET的開關損耗顯著低于Si IGBT，SiC二極管反向回複損耗低且基本不随溫度變化。SiC MOSFET的Rds（on）導通電阻低且基本不随溫度變化，反向恢複時間也相比Si MOSFET有優勢。
5.5 根據電壓平台不同，SiC應用後電車可獲最大4%-8%的效率提升
根據ST意法半導體資料，SiC器件相比矽基的IGBT能夠有更小的體積。
在400V電壓平台下，SiC能夠比IGBT器件擁有2-4%的效率提升，而在750V電壓平台下其提升幅度則可增大至3.5%-8%。
5.6 SiC可在新能源車中多個零部件處替代IGBT，獲得更佳性能
正是由于SiC器件極好的特性，SiC可以在混合動力及純電動車中大範圍的應用，可以應用的部件包括：DC/DC直流變壓器、DC/DC升壓器、OBC車載充電器以及動力電機控制器。
我們認為SiC器件已經開啟了在新能源汽車領域的大規模應用。例如欣銳科技公司公告中表明，公司生産的車載電源大部分都使用SiC器件。（校對：Iris）
圖：SiC主要會在車載電源和電機控制器領域應用
資料來源：ST公司官網
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