導讀：2021年，車企掀起了一輪800V電壓平臺車型的發布熱潮。 比亞迪、吉利、極狐、現代、廣汽、小鵬等都陸續發布了搭載800V高電壓平臺的車型，其中極氪汽車、小鵬、比亞迪等都將800V電壓平臺車型的量產定在了2022年。 業內也普遍認為，2022年將是中國800V電壓平臺的發展元年。 提到800V電壓平臺的時候，往往同時提起SiC器件。 需要聲明的是，800V電壓平臺帶來的是充電速度的提升，SiC器件應用提高的是效率，兩者搭配應用效果更佳。然而SiC器件卻不是必選項。 實際上，800V平臺也仍然可以采用耐高壓的Si-IGBT作為功率器件，不過，會在效率上有所降低，但并不影響充電速率。
SiC器件
采用SiC的優勢就多了，例如，控制器的體積更小、效率和耐溫提高；在同樣的電池電量下，車輛的續駛里程有所增加；車輛整體加速性能及NVH也有明顯改善。 當然，或許還有因為800 V下，Si-IGBT控制器體積變大，增加了整車零部件布置難度的因素，也促使車企主動采用了SiC器件。不過，從自主可控方面看，中國尚未有一片SiC芯片搭載到量產車輛上，產業鏈仍待完善。
一、國內外車企紛紛布局800V
2019 年 4 月保時捷 Taycan Turbo S 全球首發，隨著保時捷首款純電動車型誕生的還有800V電壓平臺。 隨后，車企開啟了800V電壓平臺時代，紛紛推出相應的產品。 在 2020 年 12 月 2 日，現代汽車集團全球首發了全新電動汽車專用平臺 “E-GMP” ， 該平臺同樣搭載了可以實現最大 800V 多功能充電系統。 Rivian和通用也已經計劃將電壓改為800V。 中國方面，吉利極氪、小鵬汽車、廣汽埃安、比亞迪e平臺、理想汽車、北汽極狐、嵐圖等車企也已經布局了800V快充技術。
部分車企高壓平臺情況
資料來源：網絡
除了車企，今年4月，華為也推出了首個AI閃充全棧動力域高壓平臺解決方案。根據華為的規劃，2021年落地750V、200kW的FC1閃充方案，充電 15min 可實現 30%-80%SOC；2023年落地 1000V、400kW的FC2閃充方案，充電 7.5min可實現30%-80%SOC；2025年落地1000V、600kW的FC3閃充方案，充電 5min可實現30%-80%SOC。 這款 AI 閃充高壓解決方案首先搭載在北汽極狐阿爾法S HI 版本上，計劃在今年第四季度小批量交付。 可以看到，800V平臺，已經成為車企下一階段的主攻方向之一。
二、為什么要采用800V電壓平臺
小鵬汽車副總裁劉明輝告訴《電動汽車觀察家》，提高電壓平臺的目的就是為了實現快充。 回溯歷史會發現，從汽車搭載蓄電池開始，車輛對電壓的需求就在一直提升。 早在1918年，汽車開始搭載蓄電池，當時的電壓僅有6V，后來為了滿足日漸提升的用電需求，1950年，汽車電壓開始提升至12V；現在如果要搭載一套20KW的輕混系統，需要達到48V的電壓才能滿足供電需求。 以電池作為動力驅動車輛后，對電池電壓的需求更加突出。要考慮驅動汽車所需的功率、不同冷卻條件的最大電流、功率器件的擊穿電壓，再綜合考慮成本因素，來確定電壓平臺。 目前，國內外主流車型的電壓平臺都在400V左右，例如幾何、特斯拉等產品額定電壓低于400V。 與此對應的充電速率，大概在1-1.5C之間。 隨著電動汽車的續駛里程的不斷增長，在電池能量密度沒有突破性進展的情況下，這意味著電動汽車的帶電量越來越大。 快充則成為消費者的主要訴求。要提升充電速度，就要提升充電功率。
《歐洲汽車那些事兒》統計的數據顯示，400公里續駛里程是電動汽車對快充需求的分界線，大于400公里，車企就會考慮提升充電速率。
之前電動車高壓系統普遍采用的是400V電壓平臺，這是受限于Si-IGBT功率器件的耐壓能力。基于該電壓平臺的充電樁中，充電功率最大的是特斯拉第三代超級充電樁，達到了250kW，工作電流的峰值接近600A。 根據電功率的公式，P=IU，要讓充電功率提升，要么提升電壓，要么提升電流。 在功率相同的情況下，電壓越高通過汽車線路的電流越小，由Q＝I2Rt可知產生的功率損耗也越小。因此要想使整個系統效率更高，可增加電池組電壓可降低電流，進而降低損耗。 電機驅動效率也會更高。電流不變時，電池電壓越高電機的功率越大，電動車速度就越大，電機驅動的效率也越高，從而增加續航里程、降低了電池成本。 此外，也會有一些順帶的好處，例如，線束重量降低。在用電功率相同的前提下，電壓等級的提高會減小高壓線束上的電流，也就是線束變細了，從而達到降低線束重量、節省安裝空間的效果。
以保時捷Taycan為例，電壓從400V提升至800V后，電流降低一半，高壓線束的截面積也是400V所用架構的一半，僅線束就減重4kg。 在中國本土車企中，比亞迪算是較早布局高電壓平臺的企業。在2019年，比亞迪唐的額定電壓就達到了613V，使用 80kW快充樁充電時，30min可實現30%-80%SOC；2021款的比亞迪唐特定電壓更是達到了640V，算是700V電壓平臺的產品；而且比亞迪唐DM-i(PHEV)也適用于≥700V的充電樁。
部分量產車型額定電壓情況
資料來源：汽車之家
也因此，眾多車企將電壓摸到800V作為下一階段的主要目標。
三、SiC-MOSFET 還是 Si-IGBT？
在業內，提到800V平臺，往往也會提起SiC-MOSFET。為何SiC會和800V緊密聯系起來呢？ 這就要從目前車上所用的功率器件特點分析。 電動汽車上的功率器件大致有三個選擇，一是MOSFET、Si-IGBT，以及SiC-MOSFET。 MOSFET 主要應用于A00級車型，市場占有率較低，且未來有望被IGBT所取代。 業內一般常說的Si-IGBT是以Si為基體材料的功率元器件，SiC -MOSFET則是以SiC為基體材料的功率元器件。
（1）SiC -MOSFET優點多，但成本高
SiC- MOSFET與Si-IGBT相比，前者耐壓程度高、開關損耗低、效率高，但是價格也高。 簡單來說，優點很多，就是貴。 在考慮使用 SiC帶來的電池成本、磁材成本和其他成本的系統經濟性后，根據中信證券測算，當電池容量達到75kWh時，使用SiC可在系統單位成本上獲得正向經濟性。 例如，為了效率，不怕貴的特斯拉，在400V電壓平臺上，全系車就都采用了SiC-MOSFET。 由此可見，SiC的使用和電壓平臺沒有必然關聯。
（2）SiC -MOSFET和800V
但SiC -MOSFET在高壓系統下，優勢明顯在中國，800V平臺中，才考慮采用SiC MOSFET，是因為原來400V平臺適用的Si-IGBT不再適用。 在工作過程中，電機控制器會在直流母線電壓基礎上產生電壓浮動。因此，在450V直流母線電壓下，IGBT 模塊承受的最大電壓應在650V左右，若直流母線電壓提升到800V以上，對應的功率器件耐壓水平則需提高至1200V左右。之前適用于400V的Si-IGBT模塊將不再適用。 因此，在800V平臺上，如果還用Si-IGBT，則需要換成耐高壓的；或者考慮采用SiC -MOSFET。
因為即使換成耐高壓的 Si-IGBT，其在800V 高電壓平臺上仍然存在著損耗高、效率低、體積大的缺點。有業內人士表示，800V平臺上所用Si-IGBT要明顯大于400V電壓平臺，這對本就緊張的車內空間布置帶來更大的困難。 至此似乎SiC-MOSFET的優勢更多一些。 那么最終要不要換，還要看一個疊加因素——成本。 據科銳（Cree）預測，電動汽車上的 SiC 逆變器能通過增加 5%-10%的續航節省400-800美元的電池成本（80kWh電池，102美元/kWh），與新增200美元的SiC器件成本抵消后，能夠實現至少200美元的單車成本下降；從整車成本看，當SiC器件成本下降至當前Si-IGBT成本的2倍時，應用SiC器件的整車成本應不高于搭載 Si-IGBT的整車成本。
資料來源：電子發燒友網
劉明輝也認為，采用SiC器件是劃算的，采用SiC后，相比Si-IGBT的效率提高了3%左右，但是續駛里程卻可以提高5%左右。 簡單點兒說，就是SiC器件帶來的空間節省、續駛里程增加，和多支出的成本比，還是劃算的。 在劉明輝看來，SiC器件之所以貴，是因為沒有人用，需求量一旦拉升，價格就會大幅下降。 陽光電源總裁洪思明也有類似觀點，他認為，當車輛電量達到60度電以上，使用SiC器件基本上能達到成本的平衡點。也就是說，率先采用高電壓的中高端車型會率先搭載，中低端車型暫時還無法普及。“如果將電動汽車定位為一個高端大玩具，雖然SiC器件成本有所提升，但同時也提升了車輛加速和NVH等方面的性能。” 當然，再次強調，也可以不選SiC器件，在快充速率上不會有任何影響。
四、中國SiC產業鏈并不完善
但是選用SiC器件，可能要面對中國產業鏈并不完善的窘境。尤其在芯片供應相對緊張的情況下，中國能否實現自主供應，是供應鏈安全成為首要考慮的因素。 某資深業內人士告訴《電動汽車觀察家》，目前中國沒有任何一家（包括比亞迪）、任何一片SiC芯片裝到量產車上。在功率芯片方面，仍基本依賴進口。 其實不要說第三代材料的SiC器件，就是二代材料的Si-IGBT芯片，中國也需要大量依賴海外企業供應，目前能夠生產的企業也就比亞迪、中車少數幾家企業供應。 有數據顯示，中國95%的中高端IGBT芯片主要依靠進口，日德等IGBT企業是我國進口IGBT芯片的主要來源，其中日本的三菱和富士電機以及德國英飛凌，幾乎壟斷了國內90%以上的IGBT高端市場。 陽光電源的研發人員在溝通中也表示，SiC芯片本身難度大，控制器開發也比硅基的難。“硅做了那么多年都有很多的積累，但碳化硅還沒有。” SiC器件價值鏈可分為襯底——外延——晶圓——器件。SiC襯底是SiC器件的主要成本和難點所在，所占的成本最高為50%。主要原因單晶生長緩慢且品質不夠穩定，并且這也使得是SiC價格高，沒有得到廣泛的推廣。
在SiC行業中，企業的運營模式主要可分為兩類：
第一類是覆蓋較全的產業鏈環節：如同時從事SiC襯底、外延及器件的制作，包括科銳（Cree）、羅姆（Rohm）等。
第二類是只從事產業鏈的單個或者部分環節：單晶襯底方面，例如新日鐵住金、Norstel 等；外延片方面，例如DowCorning、II-VI等；器件/模塊方面，例如意法半導體、安森美。
總體而言，Cree 是全球SiC相關技術的龍頭企業。 中國的SiC功率半導體相關廠商主要包括單晶襯底企業山東天岳、天科合達、同光晶體、中電科等；外延片企業天域半導體、瀚天天成等；器件/模塊企業中車時代電氣、世紀金光、泰科天潤、揚杰電子；設備企業北方華創、沈科儀等。 雖然這些企業都在布局，但是目前中國的SiC產品，仍然不能滿足車規級市場的需求。 隨著SiC產品的相關投資增長，例如華為戰略投資山東天岳獲 10%股權，北方華創向天岳批量供應 6 英寸單晶爐，產品缺陷控制情況較好；比亞迪也在進行SiC功率半導體相關技術研發等。或許有一天中國也能培養出滿足車規級需求的SiC芯片企業。
參考資料：
天風證券《800V高壓平臺SiC應用，新能源汽車供應鏈的投資機會》；安信證券《超級快充時代來臨，高電壓平臺加速滲透》中信建投證券《新能源汽車產業趨勢系列報告之八：功率半導體，馭電者之歌》；歐洲汽車那些事兒《電動車續航里程與充電性能展望（上）》；方正證券《電子行業專題報告：第三代半導體之SiC研究框架》
來源：電動汽車觀察家 作者：王凌方
