別慌！特斯拉是為SiC提供新的發(fā)展方向

來(lái)源：行家說(shuō)三代半 

2018年，特斯拉讓碳化硅成為了“明星”技術(shù)，但昨天，特斯拉卻宣布“減少75%碳化硅用量”，引發(fā)了世人對碳化硅產(chǎn)業(yè)前景的恐慌。

但“行家說(shuō)三代半”通過(guò)與眾多碳化硅行家交流發(fā)現，特斯拉并沒(méi)有放棄碳化硅，依舊堅定采用碳化硅技術(shù)路線(xiàn)，大家大可不必恐慌。

本文我們試圖分析特斯拉新的碳化硅功率模塊可能的技術(shù)實(shí)現路徑，以及該事件對碳化硅產(chǎn)業(yè)影響的思考，歡迎大家留言拍磚、指點(diǎn)。

特拉斯下一代汽車(chē)成本下降50%

碳化硅器件用量減少75%

3月1日，特斯拉舉行了該公司歷史首次“投資者日”活動(dòng)，萬(wàn)眾矚目的“宏圖計劃”（Master Plan）重點(diǎn)篇章揭開(kāi)面紗。

活動(dòng)上，特斯拉表示，2022年Model 3的成本已降低了30%，但下一代汽車(chē)的生產(chǎn)成本還將降低超過(guò)50%。而降低驅動(dòng)單元的造價(jià)是特斯拉降低汽車(chē)生產(chǎn)成本的關(guān)鍵一環(huán)。

特拉斯還透露，通過(guò)碳化硅器件、電池等多個(gè)方面的優(yōu)化，他們可將驅動(dòng)單元的成本降低約1000美元（近7000元人民幣），并且認為其他任何汽車(chē)制造商很難做到（We don't think any other automaker is even close to that number）。

而最為關(guān)鍵的是特斯拉提出要減少碳化硅器件用量——“我們找出了一種減少75％器件用量的方法，但不會(huì )損害汽車(chē)的性能或效率（We figured out a way to use 75% less without compromising the performance or the efficiency of the car）”。

此消息一出，引發(fā)了股民恐慌，特拉斯自身股價(jià)也下跌5%以上。

特斯拉依舊看好

碳化硅趨勢不可逆

除了股民恐慌外，部分產(chǎn)業(yè)人士也緊張了。該消息在發(fā)酵當中出現一些可能不太正確的論調，比如：特拉斯要棄用碳化硅選擇氮化鎵，甚至還有人猜測特斯拉要用回硅基IGBT。

事實(shí)上，特斯拉是非常認可碳化硅技術(shù)的。特斯拉動(dòng)力總成副總裁柯林·坎貝爾的原話(huà)是“碳化硅晶體管是關(guān)鍵但昂貴的部件（So the silicon carbide transistors that I mentioned that are key component but expensive）”。

因為碳化硅不僅昂貴，而且晶圓尺寸很難擴展，擔心碳化硅器件的產(chǎn)能供應會(huì )很難跟上他們汽車(chē)銷(xiāo)量的步驟，所以特斯拉認為減少碳化硅的用量是勢在必行（So using less of it is a big one for us）。

另一個(gè)特斯拉沒(méi)有放棄碳化硅的佐證是——他們明確表示是通過(guò)進(jìn)一步的優(yōu)化功率模塊設計，從而實(shí)現碳化硅器件用量的減少。如果不看好碳化硅，他們也沒(méi)必要在這方面花大力氣，還在投資者日這么重要的場(chǎng)合把它作為一項技術(shù)突破進(jìn)行宣布。

實(shí)際上，熟悉功率器件的讀者會(huì )明白，碳化硅取代硅基IGBT是不可逆的趨勢，尤其是在800V充電架構之下，硅基IGBT已經(jīng)達到性能的極限，很難滿(mǎn)足主驅逆變器的技術(shù)需求。

從下圖可以知道，在800V架構下，1200V硅基IGBT的能耗大幅上升，而此時(shí)采用碳化硅器件優(yōu)勢會(huì )特別明顯。

碳化硅的高效率可以帶來(lái)多方面的好處。

首先，可以大幅減少電池的成本或提升電池續航能力。業(yè)界普遍認可的說(shuō)法是，單純將IGBT替換為碳化硅，主驅逆變器的效率能提升5%-10%，前幾天理想汽車(chē)甚至在電話(huà)會(huì )議里提到，800V+SiC可以將效率提升15%。

所以，以2021年電池成本132美元/kWh來(lái)算，假設采用碳化硅將效率提升5-10%，那么一輛100kWh的電動(dòng)汽車(chē)，在同樣的續航里程情況下，電池成本可以節省660-1320美元（約4500-9100元人民幣）。

其次，盡管碳化硅器件的成本比硅基IGBT高，但是由于節省無(wú)源元器件、冷卻系統等的成本，整體主驅逆變器的系統綜合成本卻比硅基方案系統成本更低。

第三，碳化硅的還有助縮小驅動(dòng)電機的尺寸和重量。由于碳化硅的頻率比硅基IGBT更高，因此汽車(chē)廠(chǎng)商轉而采用高速電機可將電機重量減少三分之一左右。例如10000轉的電機重量為16.4千克，而23000轉電機只有5.6千克。

當然碳化硅還有其他的好處，這里就不再一一列舉，而至于氮化鎵應用在主驅暫時(shí)還沒(méi)有案例，盡管有企業(yè)在研發(fā)，但總體來(lái)說(shuō)氮化鎵“上車(chē)”的可靠性還有待更長(cháng)時(shí)間的進(jìn)一步驗證。

特斯拉“秘技”猜測

幾種可能的實(shí)現方式

我們知道，特拉斯Model 3采用了24個(gè)功率單管，每個(gè)單管采用了2顆碳化硅器件，合計48顆器件。按照特斯拉的說(shuō)法，如果用量減少75%，那么他們的下一代主驅逆變器的碳化硅器件用量為12顆（48顆×25%=12顆）。

“行家說(shuō)三代半”今天咨詢(xún)了許多碳化硅行家，很多人對特斯拉能夠減少那么多的器件用量都感到吃驚，由于特拉斯透露的信息太少，暫時(shí)無(wú)法準確知道他們是用了什么“秘技”。

事實(shí)上，特斯拉現場(chǎng)的表述已經(jīng)透露了他們的技術(shù)方向。

柯林·坎貝爾的原話(huà)是：“我們開(kāi)發(fā)了自己定制化模塊封裝技術(shù)，相比于市面上的碳化硅功率模塊產(chǎn)品，這種封裝的散熱能力提升了兩倍左右，這意味著(zhù)模塊封裝中的碳化硅晶片要小很多（We designed our own custom package，and we can extract twice as much heat out of that package as we could buy off the shelf，It means that the silicon carbide wafer that's inside those packages can be much smaller）。

可以看出，特拉斯主要是通過(guò)功率模塊技術(shù)的改進(jìn)來(lái)減少碳化硅器件的尺寸和用量（后面解釋?zhuān)?/span>也有碳化硅行家猜測，特斯拉可能也從400V架構轉向了800V架構。兩方面的技術(shù)升級，有望實(shí)現碳化硅器件數量的減少。

首先，800V母線(xiàn)電壓的提升為何能夠減少器件用量？

我們知道，特拉斯Model 3采用的是650V SiC MOSFET，假設升級1200V的SiC MOSFET，行業(yè)人士告訴“行家說(shuō)三代半”，器件用量理論上是可以減少一半，即從48顆減少到24顆。

理論為，如果采用1700V的SiC MOSFET還可以進(jìn)一步減少，例如下圖。但是，800V母線(xiàn)電壓已經(jīng)對電氣絕緣和電機線(xiàn)圈的設計已經(jīng)提出了非常大的考驗，采用1700V的器件，母線(xiàn)電壓要達到1200V，這顯然不太現實(shí)，所以800V電壓是比較合理的架構。

其次，模塊封裝散熱能力的提升為何能夠減少器件用量？

眾所周知，硅基半導體最高耐受結溫一般不超過(guò)125°C，而碳化硅導熱系數和熔點(diǎn)較高，所以耐受結溫可以輕易超越500°C。但受制于現有器件和模塊封裝技術(shù)，今天絕大多數碳化硅器件的標稱(chēng)最高結溫為175°C，少數標稱(chēng)為200°C。所以，碳化硅器件的性能并沒(méi)有得到極致發(fā)揮，很多時(shí)候是降額使用。

為此，碳化硅企業(yè)都在研究新的封裝技術(shù)，以充分發(fā)揮碳化硅的耐高溫性能。根據業(yè)界研究，通過(guò)采用“邦定緩沖層”（Bonding Buffering Layer）、雙面散熱等新技術(shù)，碳化硅功率模塊的導熱能力可以提高10倍，電流能力可以提高 15 倍，這樣就也可以減少碳化硅器件的使用量。

此前，Wolfspeed已經(jīng)研發(fā)出結溫超過(guò)225 ℃的SiC模塊，Fraunholfer采用3D集成技術(shù)研制出200 ℃的SiC模塊。而比亞迪最新的SiC模塊電流能力也也有大幅提升，其第一代1200V模塊電流規格為840A／700A，在同樣封裝尺寸的情況下，其第二代1200V模塊做到1040A，功率提升了近30％。

所以，總結一下，特斯拉很有可能是通過(guò)新的模塊封裝技術(shù)，在提升器件電壓（650V-1200V）和模塊功率的情況下，來(lái)減少碳化硅器件的用量。

還有行業(yè)人士認為，特斯拉減少碳化硅器件數量的另一個(gè)好處是可以解決此前單管并聯(lián)所產(chǎn)生的各類(lèi)振蕩和不均流問(wèn)題。

量少但價(jià)升

應用面將進(jìn)一步拓寬

相信許多人跟“行家說(shuō)三代半”一樣，對碳化硅的市場(chǎng)前景是深信不疑的，唯一讓大家恐慌的是特斯拉減少那么多的用量（75%）會(huì )不會(huì )造成市場(chǎng)需求的下滑。

首先，量少但價(jià)升。盡管特斯拉下一代主驅逆變器的碳化硅用量會(huì )大幅減少，但是由于器件的電壓和電流可能會(huì )大幅提升，為此單顆器件的尺寸也會(huì )增大，Fab端的制造良率也會(huì )有所下降，因此器件價(jià)格可能會(huì )比650V器件高出很多。

其次，量少但需求增加。根據特斯拉的規劃，目前他們的全球產(chǎn)能近400萬(wàn)輛，未來(lái)要做到2000萬(wàn)輛。

第三，特斯拉還將會(huì )把碳化硅技術(shù)應用到他們的其他產(chǎn)品當中?！肮β势骷粌H僅是我們車(chē)的核心，也是我們充電樁和儲能產(chǎn)品的核心（They are also central to our superchargers into our energy storage products）。 ”

特斯拉首席執行官埃隆.馬斯克在“宏圖計劃3”中提到，特斯拉未來(lái)的儲能規模將達到240TWh，可再生電力達到規模30TW，在制造方面投資10萬(wàn)億美元。

對次，有碳化硅行業(yè)人士感嘆道，特斯拉的儲能計劃折算出碳化硅的總需求將是特斯拉汽車(chē)年用量的許多倍，未來(lái)碳化硅總用量只會(huì )不斷翻番增加。

第四，特斯拉用量的減少，使得碳化硅器件供應商能夠服務(wù)更多的汽車(chē)企業(yè)，其他車(chē)企的主流車(chē)型將較少受限于碳化硅器件的產(chǎn)能供應，導入碳化硅的節奏也會(huì )加快。

第五，除了特拉斯外，其他車(chē)企可能技術(shù)升級沒(méi)有那么快，大部分的主驅逆變器在一段時(shí)間內依舊會(huì )采用30-48顆碳化硅器件，而且特斯拉沒(méi)有透露下一代驅動(dòng)單元的量產(chǎn)時(shí)間，短期內還是會(huì )采用48顆碳化硅器件。

所以，“行家說(shuō)三代半”認為大家暫且無(wú)需恐慌，甚至應該感到高興，因為特斯拉這次又一次推動(dòng)了碳化硅技術(shù)的進(jìn)步，為碳化硅行業(yè)的發(fā)展提供新的前進(jìn)方向和路徑，是有利于碳化硅在汽車(chē)更廣泛領(lǐng)域的普及化應用。

不過(guò)，“卷王”特斯拉的威脅還是有的，其他車(chē)企和碳化硅企業(yè)在技術(shù)升級和成本優(yōu)化方面將面臨不小的挑戰，這亟需SiC產(chǎn)業(yè)鏈的協(xié)同創(chuàng )新。