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

1 我國能源汽車已突破1000萬輛，今年將增長24%

據(jù)賽迪顧問 2024 年 12 月發(fā)布的數(shù)據(jù)，我國新能源汽車的新車全球市占率有望穩(wěn)居七成以上，我國從汽車大國邁向汽車強國的步伐更加堅實。

據(jù)中國汽車工業(yè)協(xié)會的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，2024年我國汽車產(chǎn)銷分別完成3128.2萬輛和3143.6萬輛，同比分別增長3.7％和4.5％，繼續(xù)保持在3000萬輛以上規(guī)模，產(chǎn)銷總量連續(xù)16年穩(wěn)居全球第一。其中，新能源汽車產(chǎn)銷首次突破1000萬輛，分別達到1288.8萬輛和1286.6萬輛，同比分別增長34.4％和35.5％。市占率方面，2024年新能源汽車新車銷量達到汽車新車總銷量的40.9％，較2023年提高9.3個百分點，繼續(xù)成為我國汽車產(chǎn)業(yè)的重要增長點。

展望2025年，中汽協(xié)專務(wù)副秘書長許海東稱，2025今年車市仍有望保持增長態(tài)勢，預(yù)計全年產(chǎn)銷量或達到3290萬輛。新能源汽車有望繼續(xù)保持高增長，同比增長24.4%，達到1600萬輛。

可見，當(dāng)前中國新能源汽車的年均增速有所放緩，趨于一個增長緩慢、存量競爭的時代。換句話說，我們已經(jīng)跨越了新能源汽車的增長鴻溝，進入了市場驅(qū)動時代。而之前我們是政策驅(qū)動的?！笆袌鲵?qū)動”意味著消費者已經(jīng)認(rèn)可新能源汽車了。

新能源汽車的發(fā)展也由上半場的電動化，進入到下半場的智能網(wǎng)聯(lián)化。但是對于汽車電動化從業(yè)者，下一步還要在技術(shù)上持續(xù)精進，在密度、效率、可靠性、舒適性等方面持續(xù)創(chuàng)新，與車輛的智能網(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、電機和電控（俗稱“三電”）。實際上，我國汽車電氣化的引領(lǐng)靠電池，關(guān)鍵在電控。我國經(jīng)過多年“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。預(yù)計“十五五”時期，我國新能源汽車整體技術(shù)水平有望大幅提升。

表1 我國新能源汽車關(guān)鍵技術(shù)演進趨勢

數(shù)據(jù)來源：賽迪顧問，2024年11月 

3 800V高壓化網(wǎng)絡(luò)是趨勢

把能源轉(zhuǎn)化成機械能，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)鏈幾乎全部國產(chǎn)化。高壓化包括車上系統(tǒng)的高壓化、補能系統(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，才是完整達成的狀態(tài)。

高壓域已進入深度集成化。過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)的增長速度會越來越快。據(jù)極氪統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，2024年8月滲透率接近10%，預(yù)計2025、2026年會發(fā)展加速，因為現(xiàn)在很多在開發(fā)車輛是800V系統(tǒng)，而且800V供應(yīng)鏈也基本成熟，所以800V趨勢越來越明顯。 

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)向中央計算架構(gòu)。過去幾年一直圍繞著車身域、座艙域、底盤域、動力域、娛樂域等。但是現(xiàn)在中央計算架構(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，讓云端去計算。這時對控制要素的傳感器和可執(zhí)行部件的要求更高。

從邏輯計算進化到SoC/深度集成，采用中央控制，再傳達到執(zhí)行器，都會做更深度的集成。因此電驅(qū)、充電、空調(diào)壓縮機、電加熱器等都會進入到半導(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，電壓越來越高，效率越來越高，安全級別越來越高，集成度越來越高。

在中國市場，電動化已經(jīng)成熟，無論是充電、電驅(qū)及相關(guān)產(chǎn)品，還是上一級供應(yīng)鏈，廠商已完成了“0→1”的狀態(tài)?，F(xiàn)在進入到“1→N”，即進入到存量競爭時代。因此為了在市場上生存，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：在產(chǎn)品上，要考慮平臺化和規(guī)模化效應(yīng)；在產(chǎn)品創(chuàng)新上，考慮技術(shù)和工藝創(chuàng)新；產(chǎn)品競爭力上，要保持差異化優(yōu)勢，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)/動力系統(tǒng)追求的最核心指標(biāo)，因此800V趨勢越來越明顯。

適合800V的前提是碳化硅（SiC）產(chǎn)業(yè)鏈一定要成熟。因為IGBT在800V時支撐不了大電流，而且可靠性也不夠高，而汽車對可靠性的要求非常嚴(yán)苛。

IGBT已基本完成了國產(chǎn)替代。碳化硅現(xiàn)在還處于封裝階段是國產(chǎn)的，個別國產(chǎn)芯片已經(jīng)上車了，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。采用的途徑是通過電流的最大化來壓縮電機的體積。因此電驅(qū)系統(tǒng)離不開功率半導(dǎo)體和電機的創(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，但是目前國內(nèi)的狀況是封裝還是沿用以前的封裝，這是接下來要去更優(yōu)化的方面。

實際上，功率器件是汽車半導(dǎo)體中國產(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)勢逐步體現(xiàn)出來，對硅基半導(dǎo)體可謂碾壓式的存在。

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

從商業(yè)化角度，碳化硅也進入快速增長期。預(yù)計未來幾年到2030年，碳化硅的市場滲透率會越來越高。

國產(chǎn)碳化硅在逐漸嶄露頭角了。實際上，我國供應(yīng)鏈的穩(wěn)健要依賴國產(chǎn)碳化硅供應(yīng)鏈的崛起。有一部分國產(chǎn)碳化硅已經(jīng)上車了，預(yù)計2025和2026年會慢慢上量。

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？實際上，400V平臺和800V平臺都有幾個關(guān)鍵的指標(biāo)，電流能力、開關(guān)速度、效率、成本、可靠性。碳化硅除了成本貴一點，優(yōu)勢還是比較明顯的，尤其在800V更占優(yōu)勢，尤其在電流能力和效率上的優(yōu)勢更明顯，帶來的收益是續(xù)航里程的延長，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有體現(xiàn)出來，這是接下來差異化要著力的區(qū)域。

高頻率可提升效率，進而提升密度。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)將是核心競爭力之一。因為寬禁帶半導(dǎo)體器件性能還沒有完全發(fā)揮出來。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℃的場景下，還有很大的發(fā)揮空間。

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

7 可靠性將是未來的競爭焦點

從產(chǎn)品角度我們現(xiàn)在有了產(chǎn)品，接下來更進一步的是提高可靠性。對于國產(chǎn)產(chǎn)品，無論是功率半導(dǎo)體還是芯片，對可靠性要求以后是越來越激烈的一個話題，例如怎么證明可靠性？

例如現(xiàn)在國產(chǎn)比較快，包括車企、一級供應(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試流，可靠性流還沒有做完，有時拿不出數(shù)據(jù)。

所以要進一步去研究可靠性，例如研究它的壽命、篩選的方法、EOL測試，保證把早期有缺陷的東西留在出廠前。之后會發(fā)貨給客戶進行測試。如果這個良率不行，客戶會停用。良率合格后再賣到市場。市場上也會反饋一個良率，這個良率要求就更高了。

再簡單舉個例子，某器件的失效率的標(biāo)準(zhǔn)要求是100FIT，按照8000個小時運行，實際轉(zhuǎn)化出來的是800 ppm。如果未來時間要求更高，例如12,000小時，還會往下降，到600、500 ppm了。

實際上，800 ppm往往指整個系統(tǒng)動力系統(tǒng)的800ppm，到功率模塊級別的要求要更高，因為動力系統(tǒng)里有幾百個半導(dǎo)體器件，每個半導(dǎo)體分一點兒失效率，分到功率半導(dǎo)體的就更少。

這也是為什么國際廠商推出來ppt(十億分之一,ppm的千分之一)。因此要做到100ppm，對整個設(shè)計、工藝、測試方法、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試的要求，其實國產(chǎn)功率器件廠商現(xiàn)在對上游供應(yīng)商也是這么嚴(yán)格要求的，國產(chǎn)功率器件廠商會深入到下面去研發(fā)，包括對這些參數(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，他們已探討出來一種方法，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，但在理論上永遠拉不到0，只能拉到隨機失效的一個區(qū)域，至少不讓它早期失效，或者早期失效/缺陷的產(chǎn)品不能流通到市場上。 

備注：

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