到2026年，嚴格的二氧化碳排放目標將使所有乘用車中電動汽車/混合動力汽車（EV/HEV）份額達到38%，這意味著各種半導體技術和功率器件將獲得56億美元的市場機會。這是市場研究公司Yole Dedevelopment在《2021年電動汽車功率電子技術》中的判斷。

有這么多種電動汽車

不管是EV還是HEV，都是電動汽車，或稱之為xEV，其具體分類如下：

輕度混合動力電動汽車（MHEV）：使用內(nèi)燃機（或熱電機）和電動機的車輛，通常使用功率為10-20kW的輔助ICE電機，包括配備低壓蓄電池的48V（輕度混合動力）車輛。

全混合動力電動汽車（全HEV、強HEV）：使用內(nèi)燃機和電動機的車輛，電機由高壓電池供電，能夠為電機提供高功率，功率范圍在70-170kW，不能從電網(wǎng)給電池充電。其電池能量容量相對較低（約2-5kWh），因此在e模式下行駛里程有限（幾公里）；

插電式混合動力電動汽車（PHEV）：使用內(nèi)燃機和電動機（像全混）的車輛，PHEV的電池可以從電網(wǎng)充電，因此包含車載充電器和充電插頭。電池容量大于全HEV，通常約為9kWh。如果使用雙向充電器，汽車可作為V2G（車輛到電網(wǎng)）和V2H（車輛到住宅）應用的電源。

增程式電動汽車（EREV）：是使用包括一個稱為“里程擴展器”的輔助動力裝置（APU）的電池電動汽車。這種小型發(fā)電機通常是內(nèi)燃機（ICE），但也可以使用燃料電池。該發(fā)電機為蓄電池充電，蓄電池為車輛的電動機供電。這種布置稱為串聯(lián)混合動力傳動系。里程擴展器不適于日常使用，只適用于駕駛員需要延長車輛行駛里程以到達下一個充電站的情況。

電池電動汽車（全電動汽車，BEV）：只有電機（無ICE電機），使用高功率、高能量容量電池（通常為30-100kWh），可從電網(wǎng)充電。如果使用雙向充電器，汽車可作為V2G和V2H應用的電源。

燃料電池電動汽車（FCEV，F(xiàn)CV或氫動力汽車）：僅有電機（無ICE電機），通常被稱為氫動力汽車，實際上它是一種電動汽車，通過燃料電池堆從氫中產(chǎn)生電力。FCEV包含電池（或超級電容器組），以實現(xiàn)某些功能，如制動能量回收等。其電池為高壓電池，通常具有低能量容量（幾kWh）。一些FCEV使用更大的電池（約10kWh，可從電網(wǎng)充電，類似于PHEV，以實現(xiàn)更清潔的駕駛（假設充電用電由清潔可再生能源產(chǎn)生，如光伏或風能）。FCEV汽車中的雙向充電器可作為V2G和V2H應用的電源。

新能源汽車（NEV）：中國政府使用的術語，包括PHEV、BEV和FCEV等。新能源汽車的提法可以使國家出臺的政策有更好的持續(xù)性，涵蓋更多的技術迭代，有助于實現(xiàn)平滑的過渡。通過階段性調(diào)整、退出機制，不斷鼓勵企業(yè)嘗試新的技術。在傳統(tǒng)汽車上，中國和國外的差距太大，尤其是發(fā)動機等，涉及的技術壁壘很高。搞新的東西，跟國外的差距不大，才能避免將來被國外技術淘汰。

近年來，xEV市場發(fā)展很快，得益于各國政府承諾2050年將實現(xiàn)碳中和。采用電動汽車是減少二氧化碳排放的關鍵，主機廠、Tier 1和功率半導體廠商將伴隨電動汽車的增長而演變。

在xEV應用中，系統(tǒng)層面涉及主逆變器和發(fā)電機、升壓轉(zhuǎn)換器、DC-DC轉(zhuǎn)換器、車載充電器；器件封裝類型包括分立式、電源模塊；功率器件種類有硅MOSFET、硅IGBT、硅BJT（雙極晶體管）、碳化硅（SiC）MOSFET和氮化鎵（GaN）HEMT等。

BEV引領高壓技術

隨著嚴格的二氧化碳減排及各國的碳中和目標，汽車工業(yè)朝著汽車電氣化邁出了一大步。雖然每個主機廠的電氣化戰(zhàn)略各不相同，特別是在不同地區(qū)，但他們有一個共同的目標，即增加BEV在其車隊中的份額?；旌想姎饣匀皇俏磥?0-15年的一個選擇，盡管它不符合長期碳中和目標。

雖然有新冠疫情的影響，全球電氣化推動的BEV技術仍在加速，牽引逆變器、DC-DC、OBC（車載充電器）等不同轉(zhuǎn)換器中的功率電子器件持續(xù)增加，EV/HEV系統(tǒng)在向48V過渡，電池趨勢也從400V向800V轉(zhuǎn)變。

電氣化選擇與轉(zhuǎn)換器功率或電池容量的技術架構選擇直接相關，這將導致不同車輛的性能特征完全不同。Yole預計，在未來五年內(nèi)，隨著汽車中增加48V電池，與MHEV相關的功率半導體市場仍將不斷增長。此外，從混合動力汽車到BEV，每輛車的半導體含量將隨電氣化水平的提高而不斷增加。

事實上，BEV正在推動這項技術加速發(fā)展，在這方面，用戶顯然要求在較短的充電時間內(nèi)行駛更長的距離，同時還要降低成本。有幾種方法可以增加行駛里程，例如優(yōu)化電池設計以增加其能量容量或提高逆變器效率。另一方面，為了減少電池充電時間，世界各地都在部署大功率充電器（高達350kW）。為了避免與高電流水平相關的挑戰(zhàn)，發(fā)展趨勢是增加蓄電池電壓。將電池電壓從現(xiàn)在的400V提高到800V可實現(xiàn)更快的充電，還可以為汽車用戶提供高附加值。

事實上，保時捷和現(xiàn)代已經(jīng)采用了800V電池，其他公司也將效仿。由于主逆變器在更高的電壓下運行，其功率半導體組件也必須具有更高的電壓額定值，通常為1200V。從600V-750V組件到1200V組件的轉(zhuǎn)變?yōu)橐恍┕處砹诵碌纳虡I(yè)機會，而其他供應商的業(yè)務則將有所減少。車輛電氣化的選擇，以及不同的技術選擇將導致主要主機廠采用不同的戰(zhàn)略。

電動汽車的主要驅(qū)動因素

電動汽車的續(xù)航里程不僅決定于電池，整個動力系統(tǒng)的效率也起著舉足輕重的作用。柏林的弗勞恩霍夫可靠性和微集成研究所（IZM）的一個團隊正在為保時捷純電Mission E動力系統(tǒng)開發(fā)一種電子控制單元——電源逆變器，它能夠比現(xiàn)有方案更有效地轉(zhuǎn)換電池和電機之間的能量。

保時捷SiC電源逆變器

研究人員及其行業(yè)合作伙伴的專家們使用特別高效的SiC半導體晶體管，以確保電流流過晶體管時消耗的功率更小。他們希望使用最少的晶體管，因為每一個SiC器件都會消耗一些能量，還要做好冷卻。研究人員重新設計了電源逆變器的冷卻元件，以使冷卻效果[敏感詞]。通過這種方式優(yōu)化傳動系統(tǒng)，電動汽車的里程最終將增加6%。

為解決電源模塊不同材料膨脹率不同的問題，新的冷卻元件采用非常薄的金屬板，以補償加熱或冷卻時由于輕微變形而產(chǎn)生的應力，延長使用壽命。為降低電源逆變器模塊應力，冷卻元件和SiC晶體管組成的結(jié)構通過絞合柔性細銅線與電子系統(tǒng)的其余部分相連，以防止出現(xiàn)裂紋?？梢?，800V高壓系統(tǒng)恰恰是SiC高溫性能的用武之地。

牽引逆變器是功率電子器件需求大戶

EV/HEV中基本上有三種轉(zhuǎn)換器類型：主逆變器、DC-DC轉(zhuǎn)換器、發(fā)電機和OBC。由于功率水平較高，主逆變器是轉(zhuǎn)換器中[敏感詞]的市場，功率半導體含量[敏感詞]。因此，到2026年，主逆變器市場預計將達到195億美元，占EV/HEV轉(zhuǎn)換器市場的67%，復合年增長率為26.9%。

關于功率半導體市場，由于IGBT和SiC模塊之間的重大技術角逐，預計其價值將在2020年至2026年翻三番。事實上，SiC模塊目前的成本仍然是650V IGBT模塊的3倍左右，但當生產(chǎn)批量更大時，隨著向8英寸晶圓的過渡，以及獲得更高電池電壓的1200V器件的普及，這一差距將逐步縮小。

EV/HEV供應鏈繼續(xù)受到不斷增長的需求和技術趨勢的影響。盡管領先的EV/HEV半導體制造商與其他電源應用（如英飛凌、意法半導體、日立、三菱電氣、安森美）半導體制造商保持一致，但其他公司（Tier 1、主機廠、功率半導體制造商和純模塊新來者）目前也在為EV/HEV提供電源模塊。

類似的情況也發(fā)生在電池設計和制造領域，特斯拉和通用汽車等主機廠正進一步試圖控制其供應鏈。主機廠層面的競爭也打開了兩條主要賽道：一條是，擁有成熟市場和知名品牌的傳統(tǒng)主機廠正在將其業(yè)務轉(zhuǎn)向電動汽車；另一條是，純電動汽車主機廠正在世界不同地區(qū)涌現(xiàn)（如蔚來、Rivian（里維埃）、Rimac（銳馬克）、小鵬和合眾），以特斯拉為首的其中一些正在逐年快速增加其銷量。新推出的車型通常具有更好的性價比，這導致了前十大汽車銷量的不斷重塑。

xEV功率半導體器件市場（百萬美元）

SiC走上EV/HEV的紅地毯

現(xiàn)在，不用SiC的車都不好意思叫電動出行。過去幾年，特別是自從特斯拉在其Model 3主逆變器中引入SiC以來，在EV/HEV中采用SiC引起了很大反響。但并非所有轉(zhuǎn)換器或所有類型的電氣化車輛都適用于這種昂貴的材料。

毫無疑問，BEV是采用SiC的贏家，因為它要求行駛里程長、充電時間快。因此，隨著轉(zhuǎn)換器效率的提高，增加的轉(zhuǎn)換器成本得到了補償，從而節(jié)省了電池成本。因此，在主逆變器中使用SiC已成為主要主機廠的共同目標也就不足為奇了，戴姆勒和現(xiàn)代等公司很快就將其納入了主逆變器中。

雖然SiC器件成本高于硅器件，但有助于降低電池成本和提升續(xù)航里程，從而有效降低整車成本，采用SiC逆變器單車可節(jié)省約200美元，同時減小主逆變器尺寸和重量。

如今，英飛凌、Cree（Wolfspeed）和意法半導體已經(jīng)推出了一系列有SiC片芯的器件。許多半導體廠商都將SiC模塊作為電動汽車應用的目標。預計到2026年，SiC模塊市場將占EV/HEV半導體市場的32%。

SiC和800V的呼應

雖然每家主機廠都有其自己的SiC采用策略，特斯拉用SiC技術顯著改善了性能，800V電池的采用也增加了SiC的使用，還有更多主機廠在跟進。目前，上海大眾、日產(chǎn)、比亞迪、北汽新能源、吉利等都在其部分車型的OBC和DC-DC中使用了SiC器件；特斯拉、比亞迪、宇通客車、吉利等在電機控制器中使用了SiC器件；即將在主逆變器中采用SiC的車企更多，包括紅旗、北汽新能源、江淮汽車、現(xiàn)代、本田、寶馬、奧迪及造車新勢力蔚來、小鵬、理想等。多家Tier 1也相繼發(fā)布了SiC電驅(qū)動計劃，包括博世、德爾福、采埃孚、法雷奧、緯湃科技、精進電動等。

有一點可以肯定，技術不分好壞，適用就是[敏感詞]，在汽車領域SiC器件將與硅基器件長期共存。在國產(chǎn)化方面，與國外相比國內(nèi)SiC器件的制造工藝還有一定差距，特別是良率需要進一步提升。另一個關鍵問題是車企敢不敢用國產(chǎn)器件，這需要一定的勇氣和科學的態(tài)度，需要一些時間裝車上路測試驗證。

電氣化提速分批導入

車輛電氣化的初始戰(zhàn)略實施正在加速，因為部分地區(qū)/城市禁止使用柴油車，客戶對SUV型車輛的偏好不斷增加，大眾“柴油機門”、“特斯拉效應”、中國零排放汽車的激勵措施、電池成本降低、二氧化碳減排目標，NEDC（新歐洲行駛工況）→WLTP（全球統(tǒng)一輕型車輛試驗程序），包括新冠疫情，都在推進車輛電氣化進程。

車輛電氣化加速

目前看，在EV/HEV中的功率電子技術中，根據(jù)電氣化類型和制造商選擇的不同功率水平，主逆變器既可以是分立式器件，也可以是模塊；48-12V DC-DC基本上是80-100V分立器件；HV-12V DC-DC基本上是500-650V和80-100V分立器件；OBC基本上是600-650V分立器件；升壓轉(zhuǎn)換器基本上是600V分立器件。

每種xEV類型使用的功率器件

因此，模塊，特別是SiC功率器件和模塊的導入空間很大。國外一些主機廠2018年就開始在OBC上使用SiC肖特基勢壘二極管和MOSFET，之后市場滲透率不斷提升，進而過渡到可靠性要求更高的電機控制器和主逆變器。這也是從分立器件向全SiC模塊過渡的過程。

導入需求[敏感詞]的是長續(xù)航里程電動車型，預計到2024年續(xù)航里程在500km以上車型的電機控制器SiC滲透率將接近100%；500km以下的車型整體滲透率可達40%。

毋庸置疑，幾乎所有電動汽車主機廠都已將SiC器件的應用列入新項目開發(fā)計劃，預計2025年將成為SiC在電動汽車市場的爆發(fā)節(jié)點。

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