SiC寬帶隙第三代半導體異?;鸨?,特別是1200V的SiCMOSFET有望取代目前常用的650V Si IGBT。不過火爆歸火爆,但可能賺不到錢。 為什么這么說呢?先從產業鏈說起。

 

四大SiCMOSFET廠家成本結構

 

 

資料來源:Yole

 

拋開生產環節中的良率損失,原材料成本中,SiC襯底所占比例最高,能達到80%。

 

 

Si IGBT與SiC MOSFET襯底成本結構對比,顯然,SiC要高很多。

 

 

上圖是Wolfspeed在11月投資者大會上公布的SiC襯底市場占有率,Wolfspeed市場占有率為62%,第二名II-VI是14%,第三名SiCrystal是13%,是一家德國公司,但卻屬于日本Rohm,前三名占據了近90%的市場。

 

按照常理,如此集中度高的市場,必然是進入門檻很高,利潤應該很豐厚,然而完全不是如此。

 

 

 上表為Wolfspeed連續8個季度的毛利率統計,可以看出毛利率整體是呈下降趨勢的。

 

上表是Wolfspeed連續8個季度的營業虧損,研發費用和銷售、管理及行政費用(SG&A),可以看到研發費用與SG&A費用都在持續上升,虧損幅度也越來越大。加上8英寸晶圓廠的高額開支,未來虧損幅度會更大。

 

為何不賺錢?可能與Wolfspeed的策略有關,也可能是需求不足,缺乏議價能力。Wolfspeed和意法半導體、英飛凌以及安森美簽訂了長期供貨合約,合同金額大約13億美元。意法半導體是Wolfspeed的第一大客戶,2021財年占其總收入的18%左右。但Wolfspeed與自己的客戶競爭,Wolfspeed也有SiCMOSFET生產,并且獲得了通用汽車的訂單。這種與客戶競爭的方式非常令人不解,推測是前期太看好市場,產能過剩的緣故。意法半導體和Wolfspeed的競爭對手SiCrystal也簽署了1.1億美元的長期供貨合同。SiCrystal的母公司ROHM也是意法半導體的競爭對手,這種把客戶當競爭對手的行為令人不解,推測就是產能過剩。

 

眾所周知,Wolfspeed在建全球第一座8英寸SiC晶圓廠,預計明年上半年投產,這會不會提高其利潤率呢?恐怕也不會,現在每個SiC 器件大約32平方毫米,6英寸晶圓可以切割出448個元件,8英寸可以切割845個,晶圓利用率從86%提到93%。成本下降空間大約有30-40%,不過產能更過剩了。

 

那么做SiC MOSFET成品的廠家利潤如何?這個沒有明確數字,因為行業太小了,沒有獨立的上市公司。

 

意法半導體是SiC MOSFET的霸主,市場占有率超過50%,特斯拉獨家供應商。英飛凌應該是第二,為小鵬、通用、現代和保時捷供應SiC MOSFET,當然除了現代的有量產,其他三家都沒有量產。

 

 

意法半導體汽車與分離元件事業部最近5季度業績如下

 

 

相比較NXP和瑞薩,意法半導體的增幅差很多,NXP的3季度收入同比增長51%,環比增長15%,意法半導體營業利潤率也偏低,NXP的營業利潤率是超過30%的,是意法半導體的3倍,特斯拉也未帶動意法半導體業績。

 

實際SiC MOSFET門檻不高,大部分功率半導體廠家都能做,目前達到車規級SiC MOSFET有意法半導體、日立、安森美、Rohm、英飛凌、Microchip、博世、東芝、三菱電機、比亞迪、豐田、Wolfspeed和Fuji。這些都是一流的半導體大廠,SiC MOSFET所占其收入最高的也不會超過1%。還有幾十家初創公司如UnitedSiC、CISSOID也在躍躍欲試,畢竟門檻太低了,其前道制造工藝和白光LED非常類似,后道的封裝類似IGBT,也可以委托專業封裝廠家,國內有類似能力的廠家很多。還有最簡單直接的方式,X-Fab提供SiC MOSFET代工,通常功率半導體基本不委托晶圓代工廠代工,因為功率半導體其核心競爭力就是生產成本的控制,但對熱衷短平快的中國廠家來說不是問題,先有銷量,虧損無所謂,有銷量有現金流再加上熱門領域,投資人擠破頭皮去投。

 

再來看Tier1這一級,大陸(Vitesco)、博格華納、ZF、日立、三菱、電裝都有800V SiC整套解決方案。

 

為何SiC產能過剩,可能是因為只有800V系統才能最大限度發揮SiC優勢,而800V系統幾乎是全新的,研發周期長,成本高,只有少數廠家能接受,如現代、保時捷、小鵬,很多廠家都在追蹤觀望,包括特斯拉。一向標榜創新的特斯拉還是400V系統。

 

 

在400V 電壓平臺下, SiC 能夠比 IGBT 器件擁有2- 4% 的效率提升,而在 750V 電壓平臺下其提升幅度則可增大至3.5%- - 8%。資料來源:意法半導體。

 

此外,同樣功率下,電壓越高,電流就越低,而SiC的成本跟電流大小成正比。實際就是電流越大,就需要越大的芯片面積,芯片面積和芯片成本是正比關系。一般SiC MOSFET的成本單位就是價格每安。

 

SiCMOSFET價格走勢

圖片來源:國盛證券

 

上圖為SiC MOSFET價格走勢,單位就是人民幣元/A,好比一個200A 1200V的SiC MOSFET價格就是大約600元人民幣,對應功率240KW。如果換成650V,那么同樣功率,大概需要369安,價格就是369*1.92=709元人民幣。所以同樣功率,1200V就便宜一點。但是1200V需要對應800V系統。

 

綜上所述,SiC MOSFET最適合800V系統。

 

800V也有諸多好處。

 

 

保時捷Taycan是第一個量產800V系統,不過沒有在逆變器中使用SiC,仍然使用了IGBT,因為當時沒有合適的SiC,都是針對650V的SiC。

 

通過比較不同半導體技術的400V和800VDC母線電壓,可以發現,使用1200V SiC-TMOSFET的400V DC母線系統逆變器能耗降低了63%,可節省6.3%驅動周期;使用1200V SiC-TMOSFET的800V系統可減少69%的逆變器能耗,車輛能耗降低7.6%。由于在行駛循環模擬中沒有考慮電池系統重量減輕的影響,因此SiC降低車輛能耗的效果還不止這些。在10 kHz (400V系統)工作頻率下,碳化硅能降低38%的損耗;在30 kHz(800V系統)工作頻率,碳化硅能降低約60%的損耗,并且大幅減小散熱器體積和重量,綜合下來能令電池續航里程提高5~10%。在碳化硅更高的開關頻率下,未來允許電動汽車使用功率密度更高的高速電機,更小的EMI濾波器,還能讓電機靜音(>20kHz)。

 

2022年奧迪RS e-tron GT使用800V系統

 

現在續航焦慮已經降低不少,充電焦慮才開始浮出水面,往車身上瘋狂裝電池,超過700公里續航能力的新車層出不窮,甚至有超過1000公里的,1度鋰電池的重量是3-4公斤,超過一定電量之后的加電池策略,續航邊際收益極低,算上行車安全問題甚至出現負的邊際收益。

 

奔馳的EQE自己開發800伏系統

 

電動車超級快充是必走之路??ㄗ×顺潆姽β实氖浅潆娋€纜,即使用上液冷,方便搬運的充電線纜能過的最大電流是500A-600A,400V系統最大充電功率可以算出是200KW-240KW,特斯拉400V系統超級快充的功率就是240KW,特斯拉占領400V系統超級快充制高點,打擊400V系統后來者的超級快充的品牌差異化。800V系統的最大充電功率能提升至400KW-480KW,簡單的算術問題,100KWH的電池用400KW-480KW充電樁充電時間是12-15分鐘,應急充50度-60度電池只需要6-8分鐘,真正可以套用手機超級快充的廣告詞,充電5分鐘可開200公里。800V系統用超級快充,能解決充電焦慮問題。

 

Visteco給現代供應的800VE-GMP平臺


以充電速度來說,800V電壓平臺能將充電速度從目前特斯拉400V系統的1分鐘充9公里,提升到1分鐘充27公里,充電10幾分鐘就能跑300公里;

從線材成本上說,因為電壓提升讓線材中的電流更小,能夠將銅線的截面積從400V 250A系統的95平方毫米,比重8.5kg/m,降低到截面積35平方毫米,比重3.1kg/m,降低銅線成本和重量的同時,在布局布線時拐彎也會更靈活;

從功率器件成本上說,800V電壓平臺一般使用1200V的功率器件,每千瓦數成本比400V/600V/700V功率器件要更便宜。

 

不過800V有一個致命缺陷,成本也會增加大約1-2萬人民幣。首先要800V電壓平臺的電車能夠使用之前400V的直流快充樁,則需要在車端增加額外的DC/DC轉換器進行升壓,達到800V。在原本的整車高壓電氣架構中直接與高壓系統直接連接的子系統部件如:動力電池系統、動力系統(電機、電機控制器)、電源系統(DC/DC、OBC、PDU)以及車內的空調壓縮機、加熱系統等需要提升部件耐壓等級。

 

在這些子系統部件提升耐壓等級從400V平臺升至800V平臺后,其所采用的元器件及材料如:線纜、連接器、繼電器、保險絲、電容、電阻、電感及功率半導體等耐壓等級需提升至800V,應該是1200V比較保險。

 

800V還有個缺點,由于電壓太高,布線要留夠足夠的安全距離,因此高壓部分的體積不小,小型轎車比較難適應。 800V比較適合高端SUV或大型轎車,這就限制了800V的市場空間。 SiC近期恐怕供過于求,未來隨著成本的降低和更多800V系統的出現,市場才會好轉,這個時間恐怕要3-5年。有時候太超前了,容易成先烈而不是開拓者。