充电桩功率密度“刚需”凸显,“新基建”加速SiC打破成本桎梏

 新基建”如火如荼,在此之下国家电网启动新一轮充电桩建设热潮,设计放置充电桩建设投资27亿元,新增充电桩7.8万个,项目漫衍在北京、天津、河北、上海、江苏、湖南、青海等24个省(市),涵盖公共、专用、物流等多种类型。作为第三代半导体质料,SiC(碳化硅)在宽禁带和击穿电场方面都有优良性能,因此在电子电力领域好比光伏逆变器、新能源汽车的电机控制器以及充电桩等有广泛应用。那么这一轮充电桩建设能否为海内碳化硅功率器件以及充电桩企业注入新的动力?   充电桩刚性需求,碳化硅应用渗透加深   在半导体质料领域,碳化硅与氮化镓无疑是当前最炙手可热的明星。其中,碳化硅拥有高压、高频和高效率等特征,其耐高频耐高温的性能,是一致硅器件耐压的10倍。因此,碳化硅在光伏逆变器、新能源汽车的电机控制器以及充电桩等应用中,相比于传统硅器件有着很大优势。  
充电桩功率密度“刚需”凸显,“新基建”加速SiC打破成本桎梏   伴随着新能源汽车崛起,应用需求的激剧增多,真正将碳化硅推到风口浪尖上。对于新能源电动汽车而言,现在车用功率模块主要接纳IGBT,据领会,一辆电动汽车中,IGBT占有总成本近10%。但接纳碳化硅质料的功率器件在新能源汽车中拥有更好的性能,如现在全球电动车出货高居第一的特斯拉,旗下model系列车型就在业内率先接纳了碳化硅功率器件替换IGBT,因此拥有领先于竞争对手的电气性能,并在电池容量相当的情形下获得相比竞品更长的续航里程。   但现在来看,碳化硅功率器件在新能源汽车上应用还较少,缘故原由主要在于成本限制。不外,由于使用率高,而且主要用于停车场的使用场景,以是对于充电桩而言,小体积、高可靠性便成为了刚性需求。因此,可提供高功率密度、耐高温的碳化硅功率器件,自然成为电动汽车充电桩的最佳选择。  
充电桩功率密度“刚需”凸显,“新基建”加速SiC打破成本桎梏 英飞凌大中华区工业功率控制事业部市场高级司理陈子颖   对于SiC在充电桩中的应用,英飞凌大中华区工业功率控制事业部市场高级司理陈子颖在接受《华强电子》采访时示意:“功率半导体是英飞凌的主要营业,应用局限笼罩新能源发电,输配电和用电。碳化硅是我们新的营业增进点。碳化硅MOSFET是宽禁带高速器件,可以实现高压大电流高速开关,从而使得相关应用的实现带来革命性的转变,直流充电桩就是其中之一,碳化硅也进一步推动了直流充电桩的生长。”   另一方面,只管碳化硅成本相比传统硅器件高,但在充电桩的应用中,由于功率密度提高,反而能够降低充电桩的系统成本。陈子颖补充到:“充电站是基础设施,其成本组成比较复杂,但都会空间成本会是主要方面之一,以是充电桩的功率密度就至关主要,碳化硅器件是实现高功率密度的要害。碳化硅器件作为高压,高速,大电流器件,简化了直流桩充电模块电路结构,提高单元功率品级,功率密度显著提高,这为降低充电桩的系统成本降低铺平了门路。”     碳化硅虽然成本高,但其优势是否能抵消成本上的劣势,则要与使用场景相适配。详细而言,在充电桩应用最广的都会场景中,选址一样平常选在荣华地段,地租昂贵,因此对体积有很高要求。现在支持快充的电动汽车,充电功率可以到达150kW,近期保时捷推出的电动跑车Taycan更是将快充功率提高到250kW。可想而知,若要组建一个拥有多个快速充电桩的电动汽车充电站,则需要到达百万W级别的功率,与一个小区的用电规模相当。   据陈子颖透露,接纳英飞凌的碳化硅单管,充电模块的功率可以到达30kW以上。接纳英飞凌的碳化硅模块,充电模块的功率可以到达60kW以上。而接纳MOSFET/IGBT单管的设计照样在15-30kW水平。从单管设计的充电模块功率对比中,不难看出在相同功率品级下,接纳碳化硅功率器件相比硅基功率器件可以大幅降低模块数目。因此,对于都会大功率充电站、充电桩,高成本所带来的小体积,在特定场景或高端产物中是有很大优势的。   不外,需要面临的事实是,现在碳化硅在充电桩中渗透率并不高。以“快充”应用为主的直流充电桩为例,据CASA测算,电动汽车充电桩中的碳化硅功率器件的平均渗透率在2018年仅到达10%。   上海瞻芯电子科技有限公司创始人兼总司理张永熙博士以为,现在主流的充电桩模块,依然是以硅基MOSFET和IGBT为主;而碳化硅二极管现在已经批量出货,在充电桩上的应用照样主要用于大功率高端产物中。但他也示意:“信赖在未来以更高功率密度为需求的充电桩模块中,碳化硅尤其是碳化硅MOSFET的应用会越来越多。”   只管现在来看,充电桩市场中碳化硅功率器件的渗透率并不算太高,但在2019年,随着下游特斯拉等车企最先大量推进碳化硅解决方案,海内的厂商也将会快速跟进。以比亚迪为代表的整车厂商最先全方位结构,在充电桩以及整车中将会越来越多接纳碳化硅器件。而凭据CASA的展望,由于电动汽车对于充电速率的要求提升,直流充电桩的需求会进一步增进,因此碳化硅在充电桩领域的渗透将快于整车市场。   成本桎梏亟待解决,碳化硅6英寸衬底有望价钱砍半   现在碳化硅在充电桩市场中渗透率不高,主要缘故原由归根到底照样在于成本。业内资深专家袁工向《华强电子》记者示意:“在功率器件领域,电压品级差别器件价钱有所差异。在同电压品级下,碳化硅功率器件的价钱大概是传统硅器件的1.5倍到2倍之间。”   在一样平常充电桩中,充电模块作为核心部件,占充电桩总成本的比例高达50%,其中充电模块的主要成本在于IGBT。而碳化硅作为替换产物相同电压品级下成本相比IGBT凌驾1.5倍甚至2倍,这显然是下游生产商们难以承受的。  
充电桩功率密度“刚需”凸显,“新基建”加速SiC打破成本桎梏   事实上,早在19年前,英飞凌便率先公布了碳化硅SBD(肖特基二极管);2010年,罗姆半导体乐成量产碳化硅MOSFET产物。但时至今日,碳化硅功率器件由于种种缘故原由,价钱仍无法下降到可以广泛应用的水平。   张永熙博士以为,碳化硅功率器件成本高,主要是由于质料成本上存在不少问题,首先是衬底单晶生长难。差别于硅质料的生长,将多晶硅融化后拉单晶可以做成晶锭。碳化硅则是接纳高温等气相淀积的方法来生长,它没有液体的形态,到达2700度高温后直接从固态升华成气态,以是质料生长在批量生产中很难题。   另一方面,对于碳化硅MOSFET而言,合格率也是一个挑战。纵然是碳化硅龙头企业Cree,在去年一个季度的财报中也专门提到了,其6英寸碳化硅晶圆在上量过程中泛起合格率低的问题。“要改善碳化硅MOSFET良率,除了在芯片制造领域增强工艺控制外,还需要在测试端完成CP测试、FT测试、筛选测试等步骤,来发现详细问题以改善制造工艺。”张永熙补充到。   而在降低成本方面,英飞凌也在做相关的投入。据陈子颖先容,英飞凌收购了位于德累斯顿的初创公司Siltectra,这家初创公司研发了冷切割(ColdSplit)这一创新手艺,可高效处置晶体质料,并最大限度削减质料消耗。英飞凌将行使冷切割手艺切割碳化硅晶圆,使单片晶圆可产出的芯片数目翻倍。   陈子颖坦言:“确实碳化硅器件成本会比硅器件高,然则它已经与90年代初IGBT单管的价钱相当了。碳化硅质料成本比硅高是难以改变,但随着碳化硅整个产业链的手艺成熟,碳化硅器件成本一定会有显著下降。”   众所周知,半导体器件中,无论是硅基半导体照样化合物半导体,其晶圆衬底尺寸都逐渐往大尺寸偏向生长。现在能够批量出货的碳化硅衬底最大为6英寸,国际上8英寸衬底也正在向量产稳步推进,但主流的仍是4英寸衬底。   对于现在主流的4英寸碳化硅衬底,张永熙以为其优势将会越来越弱:“只管现在从价钱上看,4英寸碳化硅衬底质料成本不到6英寸的一半,对于一些低端器件如碳化硅二极管等,4英寸另有一定竞争力。但随着碳化硅质料进一步成熟,6英寸降价空间非常大。在未来的3到5年内,6英寸将会降到今天4英寸的价钱,这是大势所趋。”  
充电桩功率密度“刚需”凸显,“新基建”加速SiC打破成本桎梏   充电桩纳入新基建,若何影响碳化硅器件市场?   充电桩被纳入新基建观点后,一时间引起了社会各界的强烈关注。一方面是电动车企在关注充电桩这样的基础服务设施建设情形,充电桩企业则在政策利好下追求更多机遇;另一方面,政府将新能源汽车作为动员消费的主要领域,而充电桩建设则是为人们购置新能源汽车创造出良好环境,因此各地政府也同样关注充电桩建设进度。   据国家生长改造委产业生长司副司长蔡荣华透露,停止2019年底,天下充电桩总数已经到达了122万个,其中公共桩52万个,私人桩70万个。同期数据显示,天下新能源汽车保有量为381万辆,车桩比约为3.1比1。只管在快充手艺的生长下,新能源汽车充电时间已经越来越短,高车桩比也不再是刚需。但正因为快充手艺的日新月异,导致充电桩的迭代更替也成为了一个棘手的问题。   这次国家电网睁开的新一轮充电桩建设,设计新增充电桩7.8万个,在建设完成之后将到达16.6万,逾越现在保有量最多的特来电。国家电网作为“裁判”入场“捣局”,或许只是需求引发的第一步,随着电动车进一步蚕食传统燃油车份额,对于充电桩的需求一定有增无减。   因此,在充电桩手艺迭代以及数目需求双重利好下,将动员产业链彻底迎来发作。而其中作为快充手艺“刚需”的碳化硅功率器件,未来在充电桩中的渗透率不断提高的同时,在这片“蓝海”市场中,是否会引来众多新玩家入局,引来行业竞争加剧?陈子颖示意:“半导体是高投入的行业,需要靠规模效应获得竞争优势,产能行使率和成品率等直接影响产物的成本。产物的优势更依赖于产物手艺,生产手艺自己。”   确实,在半导体领域,手艺永远都是第一生产力。要在行业中站稳脚跟,要有壮大的手艺实力支持企业的竞争力。而在碳化硅产物方面,英飞凌接纳其沟槽栅手艺的碳化硅产物在栅极可靠性方面与平面栅有着固有的优势,驱动电路可以比较简单,碳化硅模块可以实现种种电路拓扑,为工程师的创新提供一个主要平台。陈子颖透露,现在市面上功率品级最高的商业化充电模块,就是接纳英飞凌Easy B封装的碳化硅实现的。   同时,要在碳化硅领域有所建树,还需要连续且量大的资金投入。据一位业内人士透露,一家碳化硅衬底质料厂仅一个月水电费就需要200万。而新入场的玩家纵然能够解决资金问题,但在上下游能否获得足够的支持,产物相比老牌厂商若何突出优势,也是难以解决的。   碳化硅衬底方面,现在高端产物仍以外洋产商如Cree、罗姆等为主,但海内现在也有天科合达、山东天岳等已经有多年的生长历史,产物也相对稳固。在器件以及模块方面,海内企业与英飞凌、罗姆等外洋厂商手艺差距较大。现在在相对低端的碳化硅二极管方面,海内如泰科天润的产物已有广泛应用,高端的碳化硅MOSFET虽有小批量生产,但手艺指标仍需要时间追赶。   陈子颖以为:“作为新的快速增进市场,充电桩是电力电子应用一个细分市场,也是英飞凌一直关注的市场,英飞凌产物和产能可以知足这一新兴市场的需求。然则半导体从晶圆到最后封装测试生产周期比较长,整个生态圈的各个环节,需要领会市场特点和纪律,迎接市场。”   在面临新基建政策利好,碳化硅在新能源汽车以及充电桩领域拥有伟大市场潜力。对于海内功率器件领域的企业而言,捉住新手艺的风向虽然主要,但并不等同于快速扩充产能。相比之下,以市场真实需求为导向,深耕细分领域,提升产物性能更为主要。当企业规模足够时,控制成本下降,才有机遇在快速增进的市场中拥有更大竞争力。

声明: 本文由入驻基智地平台的作者撰写,观点仅代表作者本人,不代表基智地立场;基智地发布此信息的目的在于传播更多信息,与本站立场无关。