从400V转向800V电池系统的意义解析

在过去两年中，全球汽车市场见证了对电动汽车的快速需求激增。尽管 COVID-19 大流行严重影响了汽车市场，但电动汽车销量在 2020 年和 2021 年实现了创纪录的增长。例如，2021 年，全球电动汽车销量（BEV 和 PHEV）总计约 580 万辆，同比增长约 79.3%。未来五年市场有望持续保持两位数增长。

这一增长将受到重大财政激励措施的推动，例如所有地区政府实施的购买激励措施和车辆登记税退税。此外，世界各国政府的快速脱碳战略将有助于电动汽车销量的增长。全球已有 20 多个国家宣布在未来 10-30 年内逐步淘汰传统的内燃机汽车，全球有 100 多个国家的目标是在未来几十年内实现净零排放。

此外，几家领先的原始设备制造商已经宣布了远见卓识的计划，以重新配置其产品线以应对预期的电动汽车热潮。下面列出了一些最近的 OEM 公告。

沃尔沃的目标是从 2030 年起实现 100% 的电动汽车销量；福特将从 2030 年起在欧洲实现 100% 的电动汽车销量；通用汽车将从 2035 年起仅销售电动轻型汽车 (LDV)；大众汽车宣布，到 2030 年，欧洲的电动汽车销量将达到 70%，中国和美国的销量将达到 50%；Stellantis 宣布，到本十年末，欧洲 70% 的电动汽车销量和美国 35% 的电动汽车销量。

从400V转向800V电池系统，为什么？

2021 年，电动汽车占全球汽车销量的 9% 以上，是 2019 年的近四倍。由于上述因素，预计未来几年电动汽车的渗透率将继续保持高增长轨迹。

然而，要成为目前占主导地位的内燃机车辆的可行替代品，下一代电动汽车需要更长的续航里程、更快的充电能力和更高的功率输出。为了解决这个问题，EV 电池架构需要更高的电压；因此，从 400V 到 800V 的转变是不可避免的。

从 400V 转换到 800V 的好处：

由于高达 350-360kW 的更高充电功率输出，与 400V 电池系统相比，充电时间减少了 50%。这些车辆有可能在不到 23 分钟的时间内从 5% 充电到 80%（200 英里范围）！有了超快的充电速度，就不需要续航里程达 1000 公里的电池

将电池电压从 400V 加倍至 800V 可降低充电所需的电流，从而减少过热并提高功率保持能力。这有助于延长行驶里程和提高性能水平。

截至 2022 年年中，市场上的大多数电动汽车都使用 400V 电池系统。然而，EV 制造商意识到转向 800 V 架构可以带来的技术商业优势。因此，预计未来几年将迅速向 800V 系统过渡，到 2027-2030 年，90% 以上的电动汽车可能会配备 800V 电池系统。

目前，800V EV 处于商业化的早期阶段。奥迪、保时捷、现代和起亚等汽车制造商已经在销售 800V EV 系统，而 LUCID motors 在其车型 Lucid Air 中内置了 900V 电池系统。2019 年推出的保时捷 Taycan 是市场上第一款 800V 电动汽车，充电功率为 270kW，而 Lucid Air 是市场上充电速度最快的电动汽车，充电功率输出为 350kW。现代汽车承诺到 2025 年将推出 23 款配备 800V 系统的 EV 车型。

宽禁带半导体，实现向 800V EV 系统的转变

硅基 MOSFET 和 IGBT 是电动汽车行业中占主导地位的功率半导体器件技术。然而，硅基功率半导体已达到 400V EV 的理论性能极限。因此，随着移动行业向 800V 电池架构过渡，需要更新的材料，如宽带隙 ( WBG )) 提供更好电气和热性能的半导体优于硅基半导体。碳化硅 (SiC) 和氮化镓 (GaN) 是两种 WBG 半导体材料，在电动汽车中获得最大牵引力，适用于牵引逆变器、车载充电器和 DC-DC 转换器等应用。具体而言，SiC 继续吸引所有主要电动汽车制造商的更多兴趣，并被认为是电动汽车中 800V 电池系统的必然选择。所有主要的汽车原始设备制造商都致力于在当前和未来的产品中开发 800V EV 系统。

1、牵引逆变器中的 SiC，支持 800V EV 的关键应用

牵引逆变器是最关键的电动汽车系统之一，负责车辆的整体性能。牵引逆变器在电动汽车中的关键作用是：

a、将电池的直流电转换为牵引电机的交流电

b、将交流电转换回直流电以进行再生制动

c、根据驾驶员输入的加速器控制 EV 电机速度。

重点正在转向开发具有 SiC 模块的 800V 牵引逆变器。几家汽车一级供应商一直在展示他们的 800V 逆变器能力。Delphi Technologies（现已被 BorgWarner 收购）是业内第一家使用 Wolfspeed 的 SiC MOSFET 量产 800V SiC 逆变器的公司。McLaren Applied 在 2022 年初展示了其基于 800V SiC 的牵引逆变器（逆变器平台第 5 代）。Vitesco 与一家北美主要汽车制造商（福特或 Stellantis）签署了一项价值近 10.8 亿美元的交易，从2025 年。同样，Marelli 在 2022 年年中推出了 800V-SiC 牵引逆变器平台。同样，博格华纳正在为一家德国 EV OEM 开发基于 SiC 的逆变器。

2、SiC，在电动汽车牵引逆变器的半导体竞赛中领先

在支持 800V 的牵引逆变器中使用 SiC MOSFET 可实现速度更快、效率更高且重量更轻的 EV 动力传动系统。与 Si 相比，SiC 产生的热量更少，对温度的敏感性更低，并且能够实现更高效的电源开关。更少的热量释放导致更轻的冷却系统，从而使逆变器的重量更轻且占地面积更小。SiC 中较高的带隙导致高温下的漏电流较低，而高临界场电压显着降低导通电阻，从而实现更小/更薄的器件。这降低了开关损耗，提高了载流能力，并实现了更快的开关。导热性是 SiC 脱颖而出的另一个关键方面。SiC 模块可以处理高达 200 ◦的结温C 与 Si 相比，Si 可以承受高达 80 ° C 的温度。另一种著名的 WBG 半导体 GaN 在 800V EV 应用中处于非常小众的开发和应用阶段。

图 1 显示了 Si、SiC 和 GaN 材料特性的比较。

用于 800V EV 应用的 GaN，引领技术进步

GaN 的带隙、临界电场和饱和速度几乎与 SiC 相当，甚至更好。然而，其低导热性对应用于 EV 牵引逆变器等高功率和温度应用提出了挑战。对于 GaN，650V 模块是在 400V EV 系统中找到应用的最佳选择，而 400V EV 系统几乎由成熟的硅基芯片主导。然而，当电压增加到 800V 时，GaN 由于其较低的热导率而失去效率。该行业正在致力于开发垂直/3D GaN 结构以支持高功率 EV 应用。

如前所述，用于 EV 中 800V 系统的 GaN 技术仍处于早期商业化阶段。当前的 GaN 器件与其他功率器件（基于 Si 和 SiC）的主要区别之一是前者主要使用横向器件结构来导电（Si 上的 GaN、SiC 上的 GaN 或蓝宝石上的 GaN），而后者（Si 和 SiC）器件垂直传导。因此，为了通过横向 GaN 获得更高的电压，芯片尺寸需要变大，从缩放的角度来看这是不可行的。

一些行业创新者正致力于通过垂直 GaN 结构和横向结构中的高级封装技术等进步来提高 GaN 器件的效率，以使 GaN FET 可用于 800V EV 应用。例如，Odyssey Semiconductor 最近展示了其 1200V 垂直（GaN on GaN）器件，工程样品预计将在 2023 年由几家汽车 OEM 进行测试。垂直 GaN 结构以尽可能小的尺寸带来 GaN 的高开关效率优势芯片尺寸与目前仅由 Si 和 SiC 解决的电压和功率水平相关。同样，NexGen Power Systems 最近测试了其具有商业可行性的 1200V 垂直 GaN Fin-JFET，在其中，直接使用了VisIC的D3GaN (direct drive d-mode)技术 。2022 年初，Transphorm 展示了其 1200V 横向 GaN 功率晶体管，预计将于 2023 年提供样品。此类技术发展和热议凸显了 GaN 作为电动汽车应用市场颠覆者的潜力。

400V 架构的电动汽车也要转向宽禁带

由于明显的原因，转向 800V EV 是不可避免的，但同样重要的是要注意 400V 系统不会被淘汰。预计 400V EV 将用于对成本敏感的市场。此外，由于全球各国制定了新的效率目标，即使是 400V 电池系统的电动汽车也可能在短期内跟随特斯拉的脚步（其 400V 特斯拉 Model 3 中的 SiC 模块）过渡到 SiC。例如，中国在 2020 年发布了 2021 年至 2023 年的汽车销量目标，其中将某些电动汽车的最大可接受能耗从约 23kW/100kms 降低至约 18kW/100kms。SiC 由于其耐热性、低导通电阻和比 Si 更快的开关速度，每千瓦时的行驶里程增加了近 5-10%。因此，ROHM Semiconductor 和 STMicroelectronics 等公司也为 400V EV 提供 SiC 解决方案。

随着 SiC 成为电动汽车的重要趋势，芯片制造商迫切需要进行更好的规划，以确保最佳产能和稳健的供应链，以应对即将到来的电动汽车 SiC 激增。从平面结构到沟槽结构的转变，从6英寸到8英寸晶圆的转移，以及产能扩张举措将带来成本和性能优势。此外，为了改善 SiC 晶圆缺陷问题并实现 SiC 供应链的自给自足，行业正在见证半导体公司收购供应方公司的垂直整合趋势。此外，汽车原始设备制造商正在冒险设计和制造自己的牵引逆变器，从而与芯片制造商建立直接关系，这在传统行业中并不常见。

结论

随着电动汽车行业从 400V 电池系统转向 800V 电池系统，转向 WBG 半导体似乎是不可避免的。由于其技术规格，SiC 目前是汽车制造商的完美选择。GaN 是一种相对较新的利基技术，由于其低导热性和横向结构，目前在 EV 电源应用中的应用受到限制。然而，垂直 GaN 结构和先进封装等技术进步有望为 800V EV 牵引逆变器中的 GaN 提供重要的市场机会。

短期内，由于全球各国制定了严格的排放和效率标准，高端 400V EV 也可能采用基于 WBG 的牵引逆变器。从长远来看，主要在成本敏感市场中的入门级和中级 400V EV 最终将过渡到 SiC 和 GaN 技术。

该行业正在见证传统供应关系的彻底变革。汽车原始设备制造商和一级供应商正在寻求通过与芯片制造商的战略合作和直接关系来确保其组件和芯片供应。

此外，汽车制造商正在转向内部设计牵引逆变器，而不是依赖一级供应商。此外，芯片制造商通过收购供应方公司进行垂直整合，以更好地控制供应质量和产品开发。电动汽车从 400V 电池系统过渡到 800V 电池系统的预期速度是业界前所未有的，而半导体领域在实现这一过程中起着至关重要的作用。

随着硅不再能够满足电动汽车的性能需求，对 WBG 半导体的竞争是全力以赴。器件技术，无论是 Si、SiC 还是 GaN，都将找到维持市场转型的方法，并将共存，没有任何技术可以完全取代另一种技术。还有待观察的是，谁吃掉了对方的多少份馅饼！

备注：本文中的观点和发现是 Frost & Sullivan 内部半导体实践在全球电动汽车半导体增长机会（研究代码：K725）及其其他基于半导体的研究中提出的广泛研究的结果。作者Navdeep Saboo，Frost & Sullivan 行业分析师。

编辑：黄飞