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量产新能源车推动碳化硅产业链发展

碳化硅在过去两年的全球市场也发生了些“微妙”的变化:碳化硅衬底供应开始严重不足,但科锐(Cree)已和数个关键公司签署了长期供货协议,并在2019年5月宣布未来五年投资10亿美元,扩展衬底生产线;英飞凌收购了具有衬底制造技术的Siltectra;ST收购了Norstel55%的股权等。

这些变化背后的“始作俑者”竟是特斯拉。自特斯拉在引入碳化硅MOSFET到主驱上并迅速量产后,国内新能源汽车也开始跟进,且得到了市场的广泛接受。

去年7月,比亚迪新上市的汉EV旗舰车型其中电控部分使用的SiCMOSFET功率器件是比亚迪自主研发制造的具有领先优势的零部件。据称,这也是首款采用SiC模块的国产新能源汽车。无独有偶,国内另外一家新能源车企--北汽新能源也正在测试在新能源汽车上采用SiC器件。

在规模应用后,随着成本的进一步下降,未来将越来越多的电动汽车采用SiC模块,车用将是SiC模块最大的增长动力。

新材料情报NMT |  量产新能源车推动碳化硅产业链发展

SiC成为新能源汽车最佳选择

作为第三代半导体的代表,SiC材料具有宽的禁带宽度,高的击穿电场、高的热导率、高的电子饱和速率及更高的抗辐射能力,因而更适合于制作高温、高频、抗辐射及大功率器件,因此在IGBT、MOSFET等功率半导体中应用尤为广泛,SiC成为实现新能源汽车最佳性能的理想选择。目前,新能源汽车系统架构中涉及到功率半导体应用的组件包括三大部分:电机驱动器、车载充电器(OBC)/非车载充电桩、电源转换系统(车载DC/DC)。

相比于IGBT,SiC是更为先进的做控制器的电力电子芯片。虽然成本是IGBT的8-10倍,但SiC可以大幅度提高电机转速从而提升电机比功率。在做到高频率和高效率的同时,体积还非常小,约比IGBT小70-80%。此外,SiC还具有高频率但损耗低的优势,从而将新能源车效率再提高10%左右。这就意味着,电动车续航里程得到提升的同时,电池成本有可能大幅下降。

在这一点上,特斯拉为追求行驶里程仅5%的提升,不惜以贵几倍的代价在业界率先全面采用SiC替代IGBT,Model3的控制器就是利用的SiC材料。比亚迪也宣布将在2023年全方位采用SiC替代,预计在2025年全面用SiC取代IGBT。

根据Yole预测,2017-2023年,SiC功率器件市场将以每年31%的复合增长率增长,2023年将超过15亿美元;而SiC行业龙头Cree则表现得更为乐观,其预计到2022年,SiC在电动车用市场空间将快速成长到24亿美元,是2017年车用SiC整体收入(700万美元)的342倍。

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应用研发落后国外 国企道路阻且长

从产业格局看,目前全球SiC产业格局呈现美国、欧洲、日本三足鼎立态势。其中美国全球独大,占有全球SiC产量的70%-80%;欧洲拥有完整的SiC衬底、外延、器件以及应用产业链,在全球电力电子市场拥有强大的话语权;日本是设备和模块开发方面的绝对领先者。

日本:目前SiC器件在电动汽车(含混合动力汽车)上应用发展最快的是日本企业,典型为丰田公司,早在2014年5月他们正式发布了基于SiC半导体器件的零部件——应用于新能源汽车的功率控制单元(PCU)。另外,本田汽车公司、日产汽车公司均和罗姆公司就HEV/EV应用SiC半导体技术,共同开发出了使用SiC半导体器件的高功率电源模块,将转换器和逆变器的二极管和晶体管全部由硅器件改为SiC器件。

美国:除了特斯拉,福特汽车公司2015年底宣布计划为电动汽车项目投资45亿美元,另外SiC技术的著名企业美国Cree公司开发了多款适合于新能源汽车使用的SiC功率模块,并和合作伙伴合作推出了使用SiC功率模块和二极管 的电动汽车充电桩整体解决方案。

中国:应用方面,比亚迪也己投巨资布局第三代半导体材料SiC。目前,比亚迪己经成功研发了SiC MOSFET。预计到2023年,比亚迪将在旗下的电动车中,实现SiC基车用功率半导体对硅基IUBT的全面替代。

虽然我国开展第三代半导体材料和器件方面的研究工作比较晚,但也有一些企业在产业化方面己初具规模,如SiC衬底制造商:北京天科合达半导体股份有限公司;SiC外延制造商:东莞天域半导体科技有限公司、瀚天天成电子科技(厦门)有限公司;SiC器件制造商:南京国盛电子有限公司、泰科天润半导体科技(北京)有限公司。同时我国多家半导体厂商也在积极布局SiC和GaN器件,华润华晶微电子和华虹宏力就是其中的代表企业。

总体来看,在汽车电力电子技术上,我国很多技术处于产业链空白,建立在现代功率半导体基础上的电子电路、芯片和模块几乎全都依赖进口。目前,以碳化硅、氮化镓等为代表的第三代宽禁带功率半导体在新能源汽车上的应用成为未来发展趋势,然而在这些领域,我国在其应用研发上明显落后于国外,国内企业还有较长的路要走。

曙光已现未来可期

尽管市场现有情况不如人意,但应用于新能源汽车的第三代半导体产业链的企业中,大的国际上、中游企业,已经在疯狂的扩产、提升产能了。而市场化的运作里,上游企业投入一般都是领先下游应用1-2年的时间,这说明下游的应用成本将会迅速的降低,马上就要用到实际产品上来了。

开始也提到过,上游巨头Cree两次宣布其扩产计划,投资近10亿美元。上游的扩产最终结果将带动成本降价,试错的机会将会大幅增加,技术也会迅速提升。这是正相关的积极意义。

但必须注意的是,国外企业披露的扩产进度往往滞后于实际进度。面对国外龙头企业的扩产周期短、投产速度快,国内的企业无论是技术还是资金投入往往跟不上。等国外企业真正开始量产,国内上游厂商面临的市场竞争情况将会非常严重。

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但在未来新能源汽车市场转移到中国后,国内成长起来的大鹏、蔚来、理想等新能源车企的量产将会和国内碳化硅厂商一起协同发展。相比起国外孤军奋战的特斯拉,国内新能源汽车市场将会为碳化硅产业链带来更多的机会。

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