10月份，美國《華爾街日報》報道，全球汽車行業正把數以十億美元計的資金投向以碳化硅（SiC）材料制成的芯片。

比如通用汽車公司，其副總裁希爾潘·阿明就表示：“電動汽車用戶正追求更長的續航里程，我們把碳化硅視為電力電子設計中的一種重要材料。”

在說這話之前，通用汽車已經與總部位于達勒姆（北卡羅來納州）的沃爾夫斯皮德公司達成了一項協議，將使用后者生產的碳化硅器件。

而相輔相成的是，碳化硅的崛起，跟汽車行業正在推進的800V高壓平臺系統算是“絕配”。在800V高壓平臺趨近的趨勢下，行業預計，未來幾年SiC功率元器件將隨著800V平臺的大規模上車進入快速爆發階段。

為什么這么說？因為，在800V甚至更高水平的平臺上，原本的硅基IGBT芯片達到了材料極限，碳化硅則具備耐高壓、耐高溫、高頻等優勢，無疑是IGBT最佳的替代方案。

作為今年熱炒的第三代功率半導體材料，碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）應用在更高階的高壓功率元器件以及高頻通訊元器件領域，代表5G時代的主要材料。特別是碳化硅，可謂集“萬千寵愛于一身”。

當然，碳化硅面臨的一大挑戰是它高企的價格。而如何確保以碳化硅芯片實現的成本節約效益，蓋過碳化硅芯片較高生產成本這一不利因素，就成為當下最重要的任務。

俗話說，榜樣的力量是無窮的，就像特斯拉所做的那樣——特斯拉數年來在功率控制芯片中使用碳化硅，效果是能量損失減少，造就更強大的發動機，提升續航里程，從TCO（總體擁有成本）的角度來講，單車成本反而下降了不少。

實際上，當下SiC+800V大熱，說不清是碳化硅成就了800V，還是800V成就了碳化硅，我們能確定的是，接下來，碳化硅替代IGBT正在成為主流。

碳化硅的優勢

從價格方面來說，目前國際上SiC價格是對應硅基產品的5~6倍，并以每年10%的速度下降。據預測，隨著未來2~3年市場供應加大，預計價格達到對應硅基產品的2~3倍時，由系統成本減少和性能提升帶來的優勢，將推動SiC逐步替代硅基IGBT等產品。

按照《華爾街日報》的報道，“研究者估計，根據電動車種類的不同，碳化硅相關技術可以幫助一輛車最終節約出750美元的電池成本。”也有人測算，最終使用SiC合計大約會產生約2000元左右的成本降低。不過，碳化硅材料的成本要接近硅基材料，估計還要等幾年。

而碳化硅價格高的原因很簡單，因為難造。碳化硅為什么那么難造？可以這么說，鉆石有多硬，它就有多硬。所以，碳化硅的制造成本在短期內依然高企。

但是，碳化硅的優勢卻是非常明確的。比如，體積縮小是其一，豐田的碳化硅元器件體積就要比硅基的縮小80%。此外，據相關分析數據，續航方面，與使用硅基芯片的電動汽車相比，搭載SiC芯片的電動汽車行駛距離平均延長6%。

舉個國內的例子，想比亞迪漢EV的SiC模塊同功率情況下體積較硅IGBT縮小一半以上，功率密度提升一倍。而且，根據比亞迪公司計劃，到2023年比亞迪旗下所有電動車會用SiC功率半導體全面替代IGBT。碳化硅的趨勢真是勢不可擋啊。

不過，若論及碳化硅的大規模應用，則始于特斯拉。

2018年，特斯拉在Model 3中首次將IGBT模塊換成了碳化硅模塊。使用下來，在相同功率等級下，碳化硅模塊的封裝尺寸明顯小于硅模塊，并且開關損耗降低了75%。而且，換算下來，采用SiC模塊替代IGBT模塊，其系統效率可以提高5%左右。

當然，從成本來講，這樣并不劃算。因為逆變器的功率器件由IGBT替換成碳化硅之后，采購成本上升將近1500元。但是，因為整車效率的提升，導致電池裝機量的下降，從電池端把成本又省回來了。

從發展歷史來說，全球首款碳化硅功率半導體SiC MOSFET的推出，是在2011年。而在這之前，美國科銳（Cree）公司經過了將近二十年的研發，可謂“難產”。十年之后，SiC才終于迎來“爆發元年”。

而Cree首席執行官Gregg Lowe還確認，公司有望在2022年初建成世界上最大的碳化硅工廠，使其能夠充分利用未來幾十年的增長機遇。

8英寸時代到來前，供需失衡

從生產工藝來講，碳化硅目前的主要生產尺寸是6英寸，也就是150mm。不過行業進步還是很快的，8月11日，意法半導體（ST）宣布，其瑞典Norrk?ping工廠制造出首批8英寸碳化硅晶圓。

據悉，ST首批8英寸SiC晶圓品質十分優良，芯片良品率和晶體位元錯誤之缺陷非常低。低缺陷率歸功于ST在SiC硅錠生長技術深厚積累的研發技術。此外，ST正與供應鏈上下游技術廠商合作研發專屬的制造設備和生產制程。

ST汽車和離散元件產品部總裁Marco Monti表示，汽車和工業市場正在加速推動系統和產品電氣化的進程，升級到8吋SiC晶圓將為ST的汽車和工業客戶帶來巨大優勢。

而從6吋到8吋，這也代表著提升功率電子芯片的輕量化和能效方面又邁進了一步。只是，雖說現在8英寸（200mm）的產線已經有量產，但是要全面進入8英寸時代，還需要點時間。

然而一個現實情況是，目前碳化硅功率元器件市場需求的突然爆發，進一步造成了碳化硅供應鏈的全球性短缺。

以目前的狀況，一片碳化硅晶圓也就裝備兩輛電動汽車。也就是說，以目前全球碳化硅晶圓60萬片的年產能，最多也就能夠滿足120萬輛電動汽車的需求。這還沒算充電樁等應用。而根據TrendForce集邦咨詢研究顯示,預計2025年全球對6英寸SiC晶圓需求可達169萬片。

再看特斯拉。2020年，特斯拉全球交付了將近50萬輛電動汽車；今年上半年的交付量已經達到了38.6萬輛，時近年底，預計全年的交付量至少是75萬輛。也就是說，目前全球碳化硅晶圓的產能，滿足了特斯拉之后，剩下不了多少。

那么，全球碳化硅晶圓方面，主要都有哪些玩家呢？按照2020上半年出貨量計算，科銳CREE占據了全球45%的市場份額，日本羅姆的子公司SiCrystal占據20%，II-VI占13%；中國企業的市場份額還比較低，其中天科合達占到5.3%，山東天岳則為2.6%。

從碳化硅的產業鏈整體來看，主要的SiC襯底、EPI外延片、器件、模組等環節，目前全球碳化硅市場基本被國外壟斷。根據Yole數據顯示，Cree、英飛凌、羅姆約占據了90％的SiC市場份額。

這里普及一下，SiC器件的制造成本中，有兩大工序是其重要組成部分。其中，SiC襯底成本約占總成本的47%，SiC外延的成本占比23%。而SiC襯底制備受限于SiC晶體生長速度慢、過程難以調控、生長多型多、切割難度大等多種問題，全球產能一直處于較低水平。

襯底方面，國際主流已經從4英寸向6英寸過渡，而作為襯底主要供應商的科銳Cree已經開發出8英寸襯底。國內方面，襯底主要供應商有天科合達、山東天岳、同光晶體等能夠供應3~6英寸的單晶襯底。技術水平上， 國內SiC以4英寸為主，6英寸襯底還有待突破。

外延片方面，國內廈門瀚天天成、東莞天域、世紀金光已能提供4英寸/6英寸SiC外延片。目前，6英寸碳化硅外延片可以實現本土供應。當然，從整體情況來說，供需失衡的情況還會是未來一段時間內的主流。

800V“元年”

實際上，碳化硅+800V正在聯袂而來。我們也可以說，如果2021年是碳化硅“元年”，那么，2022年將成為800V的“元年”。

這次的廣州車展上，我們看到了800V正在成為趨勢。像比亞迪e平臺3.0、東風嵐圖、吉利SEA浩瀚架構、現代E-GMP、奔馳EVA、通用奧特能平臺等都選擇800V高壓平臺，這不是偶然。 

從量產時間來看，各大車企基于800V系統的新車將于明后年陸續上市，雖然真正800V的產品大年預計要到2024年左右。

具體而言，小鵬汽車在廣州車展上首次亮相的全新SUV小鵬G9，就首次采用800V高壓SiC平臺。據悉，小鵬汽車還將鋪設中國首批量產的480kW高壓超充樁，以實現充電5分鐘可跑200公里的目標。

同樣，長城的沙龍汽車首款車型機甲龍，也支持800V超級快充，峰值電流高達600A，充電10分鐘，即可實現CLTC續航401公里。還有零跑，其800V平臺將在2024年第四季度量產。廣汽也發布了萬城萬充為其開發的480kW高壓充電樁。

而根據相關預測，2023~2025年國內800V產業復合增速有望超過70%，而2025~2030年進入穩步增長階段，復合增速約為20%。

那么，為什么800V架構會成為主流呢？還是因為，800V架構下解決了兩大需求痛點，一是讓充電性能大幅提升，二是提高了整車運行效率。

在800V平臺下，可以使用較細的充電導線。我們知道，相同充電功率下，電壓高則電流就可以低，電流低導線就不用那么粗，導線的電阻熱能耗也就降低。而如果還使用原來400V所用的充電導線尺寸，則可以提升充電功率。

當然，在800V高壓充電下，電池本身的串并聯組態也必須要重新調整，也就是電池包的電壓也要相對提升到800V，否則會因為高充電電流而燒毀。此外，像電驅動、電力電子裝置、充電系統等也都需要采用800V的系統。

而整車運行效率更高是指，電流不變時，電池電壓越高電機的功率越大，電機驅動的效率也越高。所以，800V高壓平臺容易實現高功率和大扭矩，以及更好的加速性能。

不過，雖然SiC+800V技術的發展，為新能源汽車及未來出行描繪出了一個美好的未來，但在落地層面，還是具備一定的難度。對于很多車企來說，在沒有基礎設施配套的前提下，車展上推出一款800V產品，更多是概念的呼喚，隨后仍將面對實際問題。

所以，雖然說“技術點亮生活”，但800V平臺除了研發落地，也意味著電動車諸多零部件需要重新開發設計，以及高壓充電網絡從無到有的布局建設，距離產品的真正普及還有很長一段距離要走。理想很豐滿，但是現實方面，還是需要耐心等待的。

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