特斯拉要减少75%的SiC用量？不用慌！

公众号新闻

2023-03-03 01:03

来源：内容由半导体行业观察（ID：icbank）转载自公众号【行家说三代半】，作者：行家说-许若冰，谢谢。

2018年，特斯拉让碳化硅成为了“明星”技术，但昨天，特斯拉却宣布“减少75%碳化硅用量”，引发了世人对碳化硅产业前景的恐慌。

但“行家说三代半”通过与众多碳化硅行家交流发现，特斯拉并没有放弃碳化硅，依旧坚定采用碳化硅技术路线，大家大可不必恐慌。

本文我们试图分析特斯拉新的碳化硅功率模块可能的技术实现路径，以及该事件对碳化硅产业影响的思考，欢迎大家留言拍砖、指点。

特拉斯下一代汽车成本下降50%

碳化硅器件用量减少75%

3月1日，特斯拉举行了该公司历史首次“投资者日”活动，万众瞩目的“宏图计划”（Master Plan）重点篇章揭开面纱。

活动上，特斯拉表示，2022年Model 3的成本已降低了30%，但下一代汽车的生产成本还将降低超过50%。而降低驱动单元的造价是特斯拉降低汽车生产成本的关键一环。

特拉斯还透露，通过碳化硅器件、电池等多个方面的优化，他们可将驱动单元的成本降低约1000美元（近7000元人民币），并且认为其他任何汽车制造商很难做到（We don't think any other automaker is even close to that number）。

而最为关键的是特斯拉提出要减少碳化硅器件用量——“我们找出了一种减少75％器件用量的方法，但不会损害汽车的性能或效率（We figured out a way to use 75% less without compromising the performance or the efficiency of the car）”。

此消息一出，引发了股民恐慌，特拉斯自身股价也下跌5%以上。

特斯拉依旧看好

碳化硅趋势不可逆

除了股民恐慌外，部分产业人士也紧张了。该消息在发酵当中出现一些可能不太正确的论调，比如：特拉斯要弃用碳化硅选择氮化镓，甚至还有人猜测特斯拉要用回硅基IGBT。

事实上，特斯拉是非常认可碳化硅技术的。特斯拉动力总成副总裁柯林·坎贝尔的原话是“碳化硅晶体管是关键但昂贵的部件（So the silicon carbide transistors that I mentioned that are key component but expensive）”。

因为碳化硅不仅昂贵，而且晶圆尺寸很难扩展，担心碳化硅器件的产能供应会很难跟上他们汽车销量的步骤，所以特斯拉认为减少碳化硅的用量是势在必行（So using less of it is a big one for us）。

另一个特斯拉没有放弃碳化硅的佐证是——他们明确表示是通过进一步的优化功率模块设计，从而实现碳化硅器件用量的减少。如果不看好碳化硅，他们也没必要在这方面花大力气，还在投资者日这么重要的场合把它作为一项技术突破进行宣布。

实际上，熟悉功率器件的读者会明白，碳化硅取代硅基IGBT是不可逆的趋势，尤其是在800V充电架构之下，硅基IGBT已经达到性能的极限，很难满足主驱逆变器的技术需求。

从下图可以知道，在800V架构下，1200V硅基IGBT的能耗大幅上升，而此时采用碳化硅器件优势会特别明显。

碳化硅的高效率可以带来多方面的好处。

首先，可以大幅减少电池的成本或提升电池续航能力。业界普遍认可的说法是，单纯将IGBT替换为碳化硅，主驱逆变器的效率能提升5%-10%，前几天理想汽车甚至在电话会议里提到，800V+SiC可以将效率提升15%。

所以，以2021年电池成本132美元/kWh来算，假设采用碳化硅将效率提升5-10%，那么一辆100kWh的电动汽车，在同样的续航里程情况下，电池成本可以节省660-1320美元（约4500-9100元人民币）。

其次，尽管碳化硅器件的成本比硅基IGBT高，但是由于节省无源元器件、冷却系统等的成本，整体主驱逆变器的系统综合成本却比硅基方案系统成本更低。

第三，碳化硅的还有助缩小驱动电机的尺寸和重量。由于碳化硅的频率比硅基IGBT更高，因此汽车厂商转而采用高速电机可将电机重量减少三分之一左右。例如10000转的电机重量为16.4千克，而23000转电机只有5.6千克。

当然碳化硅还有其他的好处，这里就不再一一列举，而至于氮化镓应用在主驱暂时还没有案例，尽管有企业在研发，但总体来说氮化镓“上车”的可靠性还有待更长时间的进一步验证。

特斯拉“秘技”猜测

几种可能的实现方式

我们知道，特拉斯Model 3采用了24个功率单管，每个单管采用了2颗碳化硅器件，合计48颗器件。按照特斯拉的说法，如果用量减少75%，那么他们的下一代主驱逆变器的碳化硅器件用量为12颗（48颗×25%=12颗）。

“行家说三代半”今天咨询了许多碳化硅行家，很多人对特斯拉能够减少那么多的器件用量都感到吃惊，由于特拉斯透露的信息太少，暂时无法准确知道他们是用了什么“秘技”。

事实上，特斯拉现场的表述已经透露了他们的技术方向。

柯林·坎贝尔的原话是：“我们开发了自己定制化模块封装技术，相比于市面上的碳化硅功率模块产品，这种封装的散热能力提升了两倍左右，这意味着模块封装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，特拉斯主要是通过功率模块技术的改进来减少碳化硅器件的尺寸和用量（后面解释）。也有碳化硅行家猜测，特斯拉可能也从400V架构转向了800V架构。两方面的技术升级，有望实现碳化硅器件数量的减少。

首先，800V母线电压的提升为何能够减少器件用量？

我们知道，特拉斯Model 3采用的是650V SiC MOSFET，假设升级1200V的SiC MOSFET，行业人士告诉“行家说三代半”，器件用量理论上是可以减少一半，即从48颗减少到24颗。

理论为，如果采用1700V的SiC MOSFET还可以进一步减少，例如下图。但是，800V母线电压已经对电气绝缘和电机线圈的设计已经提出了非常大的考验，采用1700V的器件，母线电压要达到1200V，这显然不太现实，所以800V电压是比较合理的架构。

注：上图并非主驱逆变器电路设计

其次，模块封装散热能力的提升为何能够减少器件用量？

众所周知，硅基半导体最高耐受结温一般不超过125°C，而碳化硅导热系数和熔点较高，所以耐受结温可以轻易超越500°C。但受制于现有器件和模块封装技术，今天绝大多数碳化硅器件的标称最高结温为175°C，少数标称为200°C。所以，碳化硅器件的性能并没有得到极致发挥，很多时候是降额使用。

为此，碳化硅企业都在研究新的封装技术，以充分发挥碳化硅的耐高温性能。根据业界研究，通过采用“邦定缓冲层”（Bonding Buffering Layer）、双面散热等新技术，碳化硅功率模块的导热能力可以提高10倍，电流能力可以提高 15 倍，这样就也可以减少碳化硅器件的使用量。

此前，Wolfspeed已经研发出结温超过225 ℃的SiC模块，Fraunholfer采用3D集成技术研制出200 ℃的SiC模块。而比亚迪最新的SiC模块电流能力也也有大幅提升，其第一代1200V模块电流规格为840A／700A，在同样封装尺寸的情况下，其第二代1200V模块做到1040A，功率提升了近30％。

所以，总结一下，特斯拉很有可能是通过新的模块封装技术，在提升器件电压（650V-1200V）和模块功率的情况下，来减少碳化硅器件的用量。

还有行业人士认为，特斯拉减少碳化硅器件数量的另一个好处是可以解决此前单管并联所产生的各类振荡和不均流问题。

量少但价升

应用面将进一步拓宽

相信许多人跟“行家说三代半”一样，对碳化硅的市场前景是深信不疑的，唯一让大家恐慌的是特斯拉减少那么多的用量（75%）会不会造成市场需求的下滑。

首先，量少但价升。尽管特斯拉下一代主驱逆变器的碳化硅用量会大幅减少，但是由于器件的电压和电流可能会大幅提升，为此单颗器件的尺寸也会增大，Fab端的制造良率也会有所下降，因此器件价格可能会比650V器件高出很多。

其次，量少但需求增加。根据特斯拉的规划，目前他们的全球产能近400万辆，未来要做到2000万辆。

第三，特斯拉还将会把碳化硅技术应用到他们的其他产品当中。“功率器件不仅仅是我们车的核心，也是我们充电桩和储能产品的核心（They are also central to our superchargers into our energy storage products）。 ”

特斯拉首席执行官埃隆.马斯克在“宏图计划3”中提到，特斯拉未来的储能规模将达到240TWh，可再生电力达到规模30TW，在制造方面投资10万亿美元。

对次，有碳化硅行业人士感叹道，特斯拉的储能计划折算出碳化硅的总需求将是特斯拉汽车年用量的许多倍，未来碳化硅总用量只会不断翻番增加。

第四，特斯拉用量的减少，使得碳化硅器件供应商能够服务更多的汽车企业，其他车企的主流车型将较少受限于碳化硅器件的产能供应，导入碳化硅的节奏也会加快。

第五，除了特拉斯外，其他车企可能技术升级没有那么快，大部分的主驱逆变器在一段时间内依旧会采用30-48颗碳化硅器件，而且特斯拉没有透露下一代驱动单元的量产时间，短期内还是会采用48颗碳化硅器件。

所以，“行家说三代半”认为大家暂且无需恐慌，甚至应该感到高兴，因为特斯拉这次又一次推动了碳化硅技术的进步，为碳化硅行业的发展提供新的前进方向和路径，是有利于碳化硅在汽车更广泛领域的普及化应用。

不过，“卷王”特斯拉的威胁还是有的，其他车企和碳化硅企业在技术升级和成本优化方面将面临不小的挑战，这亟需SiC产业链的协同创新。

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