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

1 我國能源汽車(chē)已突破1000萬(wàn)輛，今年將增長(cháng)24%

據賽迪顧問(wèn) 2024 年 12 月發(fā)布的數據，我國新能源汽車(chē)的新車(chē)全球市占率有望穩居七成以上，我國從汽車(chē)大國邁向汽車(chē)強國的步伐更加堅實(shí)。

據中國汽車(chē)工業(yè)協(xié)會(huì )的統計數據顯示，2024年我國汽車(chē)產(chǎn)銷(xiāo)分別完成3128.2萬(wàn)輛和3143.6萬(wàn)輛，同比分別增長(cháng)3.7％和4.5％，繼續保持在3000萬(wàn)輛以上規模，產(chǎn)銷(xiāo)總量連續16年穩居全球第一。其中，新能源汽車(chē)產(chǎn)銷(xiāo)首次突破1000萬(wàn)輛，分別達到1288.8萬(wàn)輛和1286.6萬(wàn)輛，同比分別增長(cháng)34.4％和35.5％。市占率方面，2024年新能源汽車(chē)新車(chē)銷(xiāo)量達到汽車(chē)新車(chē)總銷(xiāo)量的40.9％，較2023年提高9.3個(gè)百分點(diǎn)，繼續成為我國汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的重要增長(cháng)點(diǎn)。

展望2025年，中汽協(xié)專(zhuān)務(wù)副秘書(shū)長(cháng)許海東稱(chēng)，2025今年車(chē)市仍有望保持增長(cháng)態(tài)勢，預計全年產(chǎn)銷(xiāo)量或達到3290萬(wàn)輛。新能源汽車(chē)有望繼續保持高增長(cháng)，同比增長(cháng)24.4%，達到1600萬(wàn)輛。

可見(jiàn)，當前中國新能源汽車(chē)的年均增速有所放緩，趨于一個(gè)增長(cháng)緩慢、存量競爭的時(shí)代。換句話(huà)說(shuō)，我們已經(jīng)跨越了新能源汽車(chē)的增長(cháng)鴻溝，進(jìn)入了市場(chǎng)驅動(dòng)時(shí)代。而之前我們是政策驅動(dòng)的?！笆袌?chǎng)驅動(dòng)”意味著(zhù)消費者已經(jīng)認可新能源汽車(chē)了。

新能源汽車(chē)的發(fā)展也由上半場(chǎng)的電動(dòng)化，進(jìn)入到下半場(chǎng)的智能網(wǎng)聯(lián)化。但是對于汽車(chē)電動(dòng)化從業(yè)者，下一步還要在技術(shù)上持續精進(jìn)，在密度、效率、可靠性、舒適性等方面持續創(chuàng )新，與車(chē)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(chē)發(fā)展的第一步是電氣化。電氣化圍繞兩大系統：能源系統，轉換系統。涉及電池、電機和電控（俗稱(chēng)“三電”）。實(shí)際上，我國汽車(chē)電氣化的引領(lǐng)靠電池，關(guān)鍵在電控。我國經(jīng)過(guò)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(jì)。預計“十五五”時(shí)期，我國新能源汽車(chē)整體技術(shù)水平有望大幅提升。

表1 我國新能源汽車(chē)關(guān)鍵技術(shù)演進(jìn)趨勢

數據來(lái)源：賽迪顧問(wèn)，2024年11月 

3 800V高壓化網(wǎng)絡(luò )是趨勢

把能源轉化成機械能，通常采用高壓轉換系統，其技術(shù)已經(jīng)非常成熟，電池、電驅、充電產(chǎn)業(yè)鏈幾乎全部國產(chǎn)化。高壓化包括車(chē)上系統的高壓化、補能系統的高壓化，以及充電樁、三電系統和基礎設施，還有功率半導體，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(jìn)入深度集成化。過(guò)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(lài)于半導體芯片的集成。

據IHS數據，到2030年800V系統的增長(cháng)速度會(huì )越來(lái)越快。據極氪統計數據表明，2024年8月滲透率接近10%，預計2025、2026年會(huì )發(fā)展加速，因為現在很多在開(kāi)發(fā)車(chē)輛是800V系統，而且800V供應鏈也基本成熟，所以800V趨勢越來(lái)越明顯。 

4 控制系統趨向于集成融合

架構方面，域架構正轉向中央計算架構。過(guò)去幾年一直圍繞著(zhù)車(chē)身域、座艙域、底盤(pán)域、動(dòng)力域、娛樂(lè )域等。但是現在中央計算架構的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(shí)對控制要素的傳感器和可執行部件的要求更高。

從邏輯計算進(jìn)化到SoC/深度集成，采用中央控制，再傳達到執行器，都會(huì )做更深度的集成。因此電驅、充電、空調壓縮機、電加熱器等都會(huì )進(jìn)入到半導體的深度融合，以提高功率密度和效率。

基于功率半導體和控制芯片的發(fā)展，帶動(dòng)了電力電子技術(shù)的發(fā)展。例如相比10年前，現在的功率密度翻了不止一倍。由400V到800V，電壓越來(lái)越高，效率越來(lái)越高，安全級別越來(lái)越高，集成度越來(lái)越高。

在中國市場(chǎng)，電動(dòng)化已經(jīng)成熟，無(wú)論是充電、電驅及相關(guān)產(chǎn)品，還是上一級供應鏈，廠(chǎng)商已完成了“0→1”的狀態(tài)?，F在進(jìn)入到“1→N”，即進(jìn)入到存量競爭時(shí)代。因此為了在市場(chǎng)上生存，需要在差異化上下功夫。極氪智能科技威睿電驅產(chǎn)品總監劉波指出有三方面需要精進(jìn)：在產(chǎn)品上，要考慮平臺化和規?；?；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，供應鏈穩健化，質(zhì)量服務(wù)。

5 碳化硅走向成熟

在電氣系統中，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/動(dòng)力系統追求的最核心指標，因此800V趨勢越來(lái)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(shí)支撐不了大電流，而且可靠性也不夠高，而汽車(chē)對可靠性的要求非常嚴苛。

IGBT已基本完成了國產(chǎn)替代。碳化硅現在還處于封裝階段是國產(chǎn)的，個(gè)別國產(chǎn)芯片已經(jīng)上車(chē)了，但量還不太大。

電驅系統的目標是提升功率/扭矩密度和效率。采用的途徑是通過(guò)電流的最大化來(lái)壓縮電機的體積。因此電驅系統離不開(kāi)功率半導體和電機的創(chuàng )新。功率半導體由IGBT轉向碳化硅，使電流輸出也提升了，但是目前國內的狀況是封裝還是沿用以前的封裝，這是接下來(lái)要去更優(yōu)化的方面。

實(shí)際上，功率器件是汽車(chē)半導體中國產(chǎn)化最高的芯片。功率芯片包括 IGBT、硅基 MOS、碳化硅等。硅基半導體的性能提升已接近極限，寬禁帶半導體的優(yōu)勢逐步體現出來(lái)，對硅基半導體可謂碾壓式的存在。

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

從商業(yè)化角度，碳化硅也進(jìn)入快速增長(cháng)期。預計未來(lái)幾年到2030年，碳化硅的市場(chǎng)滲透率會(huì )越來(lái)越高。

國產(chǎn)碳化硅在逐漸嶄露頭角了。實(shí)際上，我國供應鏈的穩健要依賴(lài)國產(chǎn)碳化硅供應鏈的崛起。有一部分國產(chǎn)碳化硅已經(jīng)上車(chē)了，預計2025和2026年會(huì )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(shí)際上，400V平臺和800V平臺都有幾個(gè)關(guān)鍵的指標，電流能力、開(kāi)關(guān)速度、效率、成本、可靠性。碳化硅除了成本貴一點(diǎn)，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(lái)的收益是續航里程的延長(cháng)，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(méi)有體現出來(lái)，這是接下來(lái)差異化要著(zhù)力的區域。

高頻率可提升效率，進(jìn)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。因為寬禁帶半導體器件性能還沒(méi)有完全發(fā)揮出來(lái)。通常，寬禁帶半導體的工作穩定性可以到二三百℃，但現在主要工作在175℃的場(chǎng)景下，還有很大的發(fā)揮空間。

從封裝的角度，有三個(gè)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，但這些細節的底層技術(shù)和底層邏輯的研究還不夠深。例如沒(méi)有幾家有應用手冊，因此在材料匹配上難以追溯。

7 可靠性將是未來(lái)的競爭焦點(diǎn)

從產(chǎn)品角度我們現在有了產(chǎn)品，接下來(lái)更進(jìn)一步的是提高可靠性。對于國產(chǎn)產(chǎn)品，無(wú)論是功率半導體還是芯片，對可靠性要求以后是越來(lái)越激烈的一個(gè)話(huà)題，例如怎么證明可靠性？

例如現在國產(chǎn)比較快，包括車(chē)企、一級供應商和上游的半導體供應商都速度較快，但大部分只完成了測試流，可靠性流還沒(méi)有做完，有時(shí)拿不出數據。

所以要進(jìn)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(chǎng)前。之后會(huì )發(fā)貨給客戶(hù)進(jìn)行測試。如果這個(gè)良率不行，客戶(hù)會(huì )停用。良率合格后再賣(mài)到市場(chǎng)。市場(chǎng)上也會(huì )反饋一個(gè)良率，這個(gè)良率要求就更高了。

再簡(jiǎn)單舉個(gè)例子，某器件的失效率的標準要求是100FIT，按照8000個(gè)小時(shí)運行，實(shí)際轉化出來(lái)的是800 ppm。如果未來(lái)時(shí)間要求更高，例如12,000小時(shí)，還會(huì )往下降，到600、500 ppm了。

實(shí)際上，800 ppm往往指整個(gè)系統動(dòng)力系統的800ppm，到功率模塊級別的要求要更高，因為動(dòng)力系統里有幾百個(gè)半導體器件，每個(gè)半導體分一點(diǎn)兒失效率，分到功率半導體的就更少。

這也是為什么國際廠(chǎng)商推出來(lái)ppt(十億分之一,ppm的千分之一)。因此要做到100ppm，對整個(gè)設計、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(shí)國產(chǎn)功率器件廠(chǎng)商現在對上游供應商也是這么嚴格要求的，國產(chǎn)功率器件廠(chǎng)商會(huì )深入到下面去研發(fā)，包括對這些參數去做定義。據極氪智能科技電驅產(chǎn)品總監劉波稱(chēng)，他們已探討出來(lái)一種方法，即從晶圓層面、模塊層面還有系統層面的研究，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(gè)區域，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(chǎng)上。 

備注：

¹ 三橫三縱?！叭v”為混合動(dòng)力汽車(chē)、純電動(dòng)汽車(chē)、燃料電池汽車(chē)，“三橫”為動(dòng)力電池與管理系統、驅動(dòng)電機與電力電子、網(wǎng)聯(lián)化與智能化技術(shù)。