碳化硅正在影響整個電動汽車行業(yè)，并將與另一種寬帶隙材料氮化鎵一起成為電子產品的核心。在APEC期間，Exawatt 首席執(zhí)行官 Simon Price 分析了 SiC 及其在電池電動汽車 （BEV） 環(huán)境中的積極發(fā)展。“BEV 是全電動汽車，我們非常清楚 SiC 在該環(huán)境中的作用，”他說。“我們結合了對電池和電力電子設備的思考，并將 BEV 視為一個集成系統(tǒng)，而不是單個組件。我們認為，非混合動力純電動汽車將在未來幾年占據汽車銷量的主導地位，到 2030 年肯定會如此。”

碳化硅預測必須考慮幾個點，例如碳化硅晶體生長和芯片成本、碳化硅器件和晶圓需求、碳化硅在電動汽車相關轉換器中的采用以及全球電動汽車銷售。從每戶家庭電動汽車的比例從 0.1% 上升到全球約 1%，大約需要五年時間。“要達到 10% 還需要五年時間，”Price 說（圖 1）。

圖 1：BEV 市場正在增長。（來源：Exawatt）

普萊斯還強調了近年來美國家庭采用的一系列技術，例如手機和個人電腦。“直到 1920 年代后期，汽車的采用率從 10% 迅速上升到約 60%，”他說。“汽車增長曲線趨于平緩，直到 1940 年代，它再次開始快速增長。這些數據的驚人之處在于，技術越新，發(fā)展速度就越快。”

碳化硅

普萊斯認為，當 BEV 變得等同于內燃機 （ICE） 并且成本趨于下降且數量充足時，我們應該會看到大量采用。“性能和成本的結合將推動增長，這就是碳化硅的用武之地，”他說。

要了解 SiC 可能產生的影響，讓我們來看看逆變器，以及各種 BEV 如何使用 SiC MOSFET 而不是硅 IGBT，從而由于更有效的傳導和開關損耗來提供更大的車輛行駛里程。由于較小的無源元件和減少的冷卻系統(tǒng)的組合，所有這些都導致了更小、更輕的功率轉換器的開發(fā)。“碳化硅不會推動電動汽車的采用，但可以通過降低總系統(tǒng)成本和增加電動汽車的續(xù)航里程，在加快采用率方面發(fā)揮作用，”普萊斯說。

最大的挑戰(zhàn)是電池成本，該成本正在下降，但仍對 BEV 的整體成本構成巨大的比例挑戰(zhàn)。這就是 SiC 再次派上用場的地方，因為它有助于降低成本并提高這些電池的性能。

圖 2：碳化硅的主要優(yōu)勢（來源：Exawatt）

讓我們看看一個 50 千瓦時的電池（圖 2），這大約是我們認為的平均容量，還有兩個電池的成本：150 美元/千瓦時，與過去一兩年的平均電池組成本相差不遠，和 100 美元/千瓦時，這更接近于去年中國制造商的最低成本售價，而且很快就會低于許多電池制造商的售價。首先要注意的是，車輛續(xù)航里程對成本的影響最大：顯然，遠程 BEV 價格昂貴，而短程 BEV 更便宜。這是由電池組的尺寸和成本驅動的，可以通過使用更高效的電力電子設備來降低成本。

“圖 3 中最右邊的條形顯示了當您使用帶有 50 kWh 電池組的 BEV 時會發(fā)生什么：您提高了動力系統(tǒng)的效率，使用碳化硅逆變器可以將范圍增加約 10%，或者，您可以將包裝尺寸減少約 10%，并在保持續(xù)航里程不變的情況下降低汽車成本，”Price 說。“這也使汽車更輕，并節(jié)省了車內空間。”

所以主要的挑戰(zhàn)是降低每千瓦時電池的成本，減少我們需要的電池數量，這對電力電子來說是一個機會，從而發(fā)揮碳化硅的優(yōu)勢。

OEM 中的 SiC

中國在電動汽車銷售方面處于領先地位，其次是其他國家，如圖 3 所示。特斯拉擁有良好的份額，并且正在其電動汽車中使用 SiC。“其他汽車制造商采用 SiC 的速度較慢，主要是由于成本，最近，現(xiàn)代汽車宣布了其新的 800-V EV 平臺，碳化硅 E-GMP，我們預計今年會有更多公告，”普萊斯說。

圖 3：SiC 已經成為主流。（來源：Exawatt）

逆變器的成本取決于其內部功率晶體管的成本。Price 在圖 4 中展示了一個有趣的圖表，描述了 SiC 如何發(fā)展，其成本基于各種參數，例如基板和封裝。

圖 4：碳化硅越來越便宜。（來源：Exawatt）

今天 SiC 和硅之間的巨大成本差異在于襯底本身。碳化硅是一種極其難以生長的材料。它是世界上僅次于金剛石的第二硬材料。它在高溫（2000°C 以上）下生長非常緩慢，過程非常難以控制，而且制造技術正在迅速改進，從而顯著降低成本。

“碳化硅晶體為什么這么貴？即使在這些成本降低之后，也必須從中獲得最大性能，這意味著增加電流密度，”Price 說。“換句話說，在給定的額定電流下制造更小的設備，以從每個晶圓中獲得更多的設備。這意味著提高材料和器件的質量以提高器件性能。所有這些都將降低碳化硅器件和逆變器的成本。”

未來成本的降低將成為影響純電動汽車采用 SiC 的速度的重要因素。碳化硅的經濟效益在遠程汽車中最大，這些汽車擁有最大的電池。

當您從配備小電池和低功率電機的短程汽車轉向配備更大電池和更大電機的遠程汽車時，您會隨著電池組的增大而受益，抵消不斷增加的成本逆變器，它會更大。

“當然，電池成本將繼續(xù)下降，因此人們可能會懷疑當今碳化硅的優(yōu)勢是否會隨著時間的推移而減弱，”普萊斯說。“我們的觀點是，碳化硅成本將在未來五年內與電池成本保持同步。”

Price 展示了一張圖表（圖 5），顯示了使用 SiC 的主要 OEM。紅點是最大的遠程車輛（藍點使用硅 IGBT）。右側的藍點是應該使用 SiC 以使其性能更好的點。

圖 5：汽車中的碳化硅（來源：Exawatt）

Exawatt 的總體分析顯示，到 2030 年，所有 SiC 動力總成系統(tǒng)的市場規(guī)模約為 30 億美元。“實際上，很大一部分碳化硅功率轉換器可能會使用這些模塊，這意味著數量可能會更多，”價格。

BEV 銷量增長的一個重要因素是汽車模型的生產時間長度。一旦推出新模型，在該模型生命周期結束之前不會有太大變化。所以真正的問題是推出最后一個 ICE 模型需要多長時間。“10 年來，我們已經看到主流制造商推出的所有電動車型，”普萊斯說。“當然，我們仍然看到很多混合模型策略，其中 BEV 和 ICE 模型是同一模型范圍內的選擇，但制造商越來越多地放棄這些類型的多模式策略并轉向全電動。汽車行業(yè)全面電氣化的速度在一定程度上取決于汽車的發(fā)展時間。一項新技術進入量產車大約需要五年時間，

普萊斯估計，臨界點可能是 2026 年，2030 年是購買 ICE 的最后一年。“一個典型的汽車模型有大約五到八年的生產壽命，”他說。“我們看到純電動汽車在 2026 年達到某種臨界點，屆時該產品被認為對普通買家來說已經足夠好了。駕駛起來很有趣，與 ICE 一樣經濟實惠，運行成本低得多，而且碳化硅可以在降低前期和運營成本方面發(fā)揮作用。”