400kW大功率刚需驱动，SiC在充电桩市场的应用进展如何？
发布日期：2023-06-25 16:12浏览次数：7862
碳化硅在新能源领域的应用近年来进展神速，自去年开始，多家车企的新车型在主驱逆变器或是在OBC上都采用了碳化硅器件，比如蔚来ET5/7、SMART精灵、小鹏G9、比亚迪海豹、路特斯Eletre等。今年则更加普遍，包括极氪009/X、小鹏G6，雷克萨斯RZ、现代IONIQ 6等等，还有更多车企已经官宣在未来的车型中采用SiC技术。作为新能源汽车的重要配套设施，近年来充电桩也在国家政策以及新能源汽车快充需求推动下持续发展，大功率充电桩逐步开始铺开。SiC相比传统硅基功率半导体，在大功率、高电压的应用场景中具有很大的优势，因此充电桩一直以来都是SiC行业的重要目标市场之一。如今在新能源汽车上风生水起的SiC器件，在充电桩市场的表现又如何？
充电模块功率密度需求驱动，SiC二极管率先上桩
为了解决电动汽车补能痛点，大功率快充是大部分车企选择的路线，在800V平台的应用下，充电功率可以轻松超过200kW，而一些车型通过采用更高充电倍率的电池包，快充功率可以超过400kW。于是，以往的120kW、180kW等规格的充电桩功率已经无法满足目前新能源汽车的需求，400kW以上的大功率充电桩，是目前行业的重要发展方向。不过对于SiC的应用，威兆半导体产品总监陈银认为，由于技术上的一些难点，短期来看200kW内的充电桩SiC应用会相比400kW充电桩增速更快。“400KW超大功率充电桩，是一个重要的产品发展方向。相信400KW会有厂商不断加入进来，但短时间内形成不了较大的市场规模，更多的是企业一个先进的技术研发实力和产品的展示。反而200KW以内的充电桩SIC的应用会越来越多，这主要基于效率和功率密度的提升需求考虑。”据陈银介绍，400kW超大功率充电桩本身有一定的技术难度，例如如何提高桩的功率密度、内部散热如何处理、如何平衡充电站的波峰波谷等等一系列问题，与现在市面上快充桩不论是电路拓扑、热管理方式、功率器件的需求都有非常大的区别，并不是简单的功率提升；同时对车身上的充电管理和动力电池等部件而言，也需要专门的设计来匹配这么大的充电功率，这对成本和可靠性、寿命都带来非常大的挑战。谈到SiC在充电桩上的应用情况，森国科总经理杨承晋在接受电子发烧友网采访时表示，现阶段SiC二极管的需求量较大，而使用SiC MOSFET+SiC二极管的“全碳化硅”充电桩方案也有在设计中。“从今年的情况来看，随着SiC二极管的降本，SiC在充电桩产品上的应用渗透速度是加快了的。特别是在1200V等级下，SiC二极管的性价比已经追赶上同样是1200V的硅基二极管。”据杨承晋介绍，硅基二极管与SiC二极管在650V规格下价格差距可能还比较大，但是目前大功率充电桩普遍采用高压小电流方案，电压达到800V甚至1000V。所以在充电桩中要提高耐压的话，需要用到2颗650V硅基二极管串联，但如果用SiC二极管，可以只需要一颗1200V的产品，性价比相对较高。目前SiC MOSFET在充电桩上应用不多，不过杨承晋也提到公司的SiC MOSFET产品仍处于供不应求的阶段。尽管SiC是有广阔的应用前景，但现阶段的市场上，新能源汽车中的主流功率器件依然是硅基的产品，充电桩同样如此。对于在充电桩中的应用，陈银表示，充电桩行业都是比较标准的模块化设计和产品，目前主流的单模块功率有15KW、20KW、30KW、40KW等，主流还是IGBT+SJMOS方案，使用SiC器件还是比较少，仅有小部分厂商在整流部分用到SiC二极管。陈银预计，当充电桩模块功率再往上提高50KW、60KW，同时对效率有更高要求时，SiC器件会有更大应用空间。他还透露，目前公司已经有客户在新开发的充电桩模块上应用SiC MOS。
充电桩市场成本压力大， 寄望方案升级优化
在GaN导入手机充电器的初期，由于GaN器件的高频特性，充电器的方案都与过往不同，在初期设计阶段还是通过上下游的紧密合作才逐步解决方案设计中出现的一些问题。同为第三代半导体的SiC，在充电桩中的使用其实也会遇到类似问题。陈银指出，以目前主流充电桩方案看，要使用SiC MOS器件，方案设计变动会比较大，像平台电压、辅助电源、电气安全、保护策略、控制方式等都要做相应的变动。同时充电桩方案主功率回路频率非常高，且采用单管多颗并联，对SiC器件的高频响应、动态损耗、门极可靠性、参数一致性等都有比较高的要求。显然，方案设计上的变化，带来的可能是初期研发投入增加，导致整体方案成本较高。所以在被问到SiC器件在充电桩市场推广中遇到的难题时，陈银表示主要是在目前主流成熟的充电桩模块方案上使用SiC MOS器件带来的性能提升不足以覆盖掉成本提升的弊端。另外，市场竞争也给SiC大规模进入充电桩带来了阻力。“近几年充电桩市场急剧地增长，行业内厂商在大幅扩大产能利用成熟的产品来抢占更多的市场份额；同时作为新能源汽车行业，充电桩也有更多的新玩家进入该市场领域，市场容量虽越来越大，但成品价格一直在持续走低，目前价格可能不足以前的三成了，可见行业成本压力之大。”杨承晋也持有类似的观点，他表示，SiC功率器件自身特性足以满足充电桩应用的品质需求，目前在推广阶段最大的挑战在于充电桩行业本身竞争较为激烈，当企业的利润率不达标时，相应的对上游厂商能否提供更好的成本结构的产品就有了更高的要求，这也是行业属性所决定的。因此，囿于碳化硅功率器件的成本现状，让SiC的应用目前还只局限于一些高端充电桩产品中。作为国产碳化硅功率器件的供应商来说，森国科总经理杨承晋也提出一些降本的看法，一方面是当市场需求体量越来越大时，通过规模效应去降低成本；另一方面是针对供应商来说，在器件结构设计上创新来寻求更多改善空间，比如简化电路拓扑、缩小体积等。对于未来SiC在充电桩上的应用，陈银也表示目前还是展望后续充电桩模块产品的升级和技术迭代，让方案对SiC MOS器件更加友好，其性能优势更加明显，整体方案成本可控。
新能源带动高压产品需求，国内厂商加速布局
近年来，新能源领域包括汽车、光伏等行业的爆发，让功率器件需求激增，IGBT、SiC MOSFET等都在市场上出现过供应紧缺的问题，这对于功率器件厂商而言，也为他们带来了业务上的一些变化。比如陈银提到，若干年前公司销售产品中，中低压MOS占据绝对份额。但经过这几年光储充、汽车行业的爆发性增长，带动了公司高压产品包括IGBT、超结MOS、SiC MOS销售额的快速增长，使得公司的收入结构配置更加均衡。据了解，在新能源的需求带动下，森国科目前主要布局了两大业务，分别是功率器件、功率模块以及功率驱动芯片，追求全品类的功率器件及模块的供应能力。在主营的SiC二极管、SiC MOS、碳化硅模块业务上持续深耕的同时，森国科也已经布局了超结MOS、IGBT等市场紧缺的重要产品线 。在SiC二极管方面，去年森国科快速覆盖了近100+型号，并持续探索创新技术。目前推出了第五代Thinned MPS（减薄的混合型PN结势垒肖特基二极管）产品，减薄工艺做到全球最薄的110微米，而目前市面上大部分的产品在175微米的水平。对于SiC二极管来说，晶圆减到越薄，器件性能越好，效率越高，相应的散热也更容易。杨承晋还透露，森国科今年将会推出1200V IGBT产品，超结MOS则从650V开始切进市场；在SiC MOS方面，森国科今年的目标是将平面型SiC MOS产品系列化，并预计最快2025年将推出沟槽型SiC MOS产品。据陈银介绍，威兆半导体在充电桩方案中常用的超结MOS和IGBT都有布局，包括650V20mΩ、650V30mΩ、650V70mΩ等规格的超结MOS，性能参数接近国外同类最新产品，其寄生二极管都具有超快的恢复特性；器件采用多层外延工艺，具有非常好的可靠性和寿命，适合工业汽车领域的应用。IGBT规格有650V40A、650V60A、650V75A，都是高频产品，采用最新的沟槽栅场截止工艺，具有动态损耗小、饱和压降低、抗冲击能力强等特点。对于SiC器件未来侧重的应用领域，陈银表示，威兆半导体将重点发展新能源行业和工业电源行业，比如新能源汽车、光伏发电、风能发电、UPS、通信电源等等应用。最后，谈到国内SiC二极管市场的内卷现象，杨承晋认为这不是一件坏事，半导体产业与其他行业一样，在行业发展过程中都会经历一轮“内卷”，淘汰一部分玩家，而能够活下来的，一定是在供应链、研发、市场上具备三位一体能力的玩家。
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