高壓快充充電樁產(chǎn)業(yè) 碳化硅材料模塊或成必由之路

電車?yán)m(xù)航焦慮本質(zhì)是充電焦慮

油車在高速上40每隔公里有一個(gè)加油站，加油時(shí)間5分鐘，這是油車沒有續(xù)航焦慮的底氣

電動車?yán)m(xù)航1000公里和續(xù)航500公里，只要充電不方便，充電時(shí)間長，都會存在有續(xù)航焦慮

而普及充電樁設(shè)施以及實(shí)現(xiàn)快充以縮短充電時(shí)間，是解決充電焦慮的唯一途徑一方面，燃油車停售表在為電車的普及下達(dá)最后的通牒

另一方方面，充電不夠便利依舊是電車?yán)m(xù)航致命的缺點(diǎn)。車企有能力造出1000公里續(xù)航的汽車，充電樁設(shè)施的普及依靠基礎(chǔ)建設(shè)及資本投入，而高壓快充則依靠技術(shù)突破

所以高壓快充成了電車突破的瓶頸難題

◆總述

目前，主流車企紛紛布局高壓快充車型， 2026年預(yù)計(jì)800V以上高壓車型銷量將過半。但我國適配高壓快充的高壓充電樁數(shù)量不足

為適應(yīng)未來大功率高壓快充發(fā)展趨勢，主流車企及充電運(yùn)營商已經(jīng)開始布局大功率快充樁。但高壓快充對充電樁的高效性和安全性都提出了更高的要求，在設(shè)備方面亟需采用更耐高壓、 耐高溫、安全的新型器件。

碳化硅對比傳統(tǒng)硅材料優(yōu)勢突出，為高壓快充樁發(fā)展帶來新機(jī)遇

半導(dǎo)體材料已發(fā)展至第三代，碳化硅作為第三代半導(dǎo)體材料優(yōu)勢突出，具有禁帶寬度大、 電子遷移率高、擊穿電壓高、導(dǎo)熱率高等特性。

在高壓快充的趨勢下，碳化硅器件的運(yùn)用能有效解決充電樁設(shè)備目前亟需采用更耐高壓、耐高溫、安全的新型器件的痛點(diǎn)，降本增效實(shí)現(xiàn)電動車快速充電。

從效率角度看，與傳統(tǒng)硅基器件相比，碳化硅模塊可以增加充電樁近30%的輸出功率，并且減少損耗高達(dá)50%左右。同時(shí)，碳化硅器件的抗輻射特性還能夠增強(qiáng)充電樁的穩(wěn)定性。

從成本角度看，碳化硅能夠有效提高單位功率密度，減小模塊體積并簡化電路設(shè)計(jì)，對降低充電樁產(chǎn)品成本起到重要作用。

但目前，在充電樁市場里SiC尚處于導(dǎo)入階段，2021年碳化硅在直流充電樁的充電模塊滲透率僅17%。預(yù)計(jì)到2025年中國充電樁行業(yè)的SiC滲透率可達(dá)35%

在高壓快充的大背景下，“SiC”+“800V”組合逐步成為新能源車企和充電樁樁企的布局熱點(diǎn)

預(yù)期未來隨著成本的降低，SiC在充電樁市場的滲透率將進(jìn)一步提升，并快于整車市場

以盛弘股份、英杰電氣、許繼電氣、科士達(dá)、英可瑞、易事特、優(yōu)優(yōu)綠能、華為為代表的眾多充電樁制造企業(yè)、新能源車企及電力設(shè)備企業(yè)已將碳化硅運(yùn)用到產(chǎn)品當(dāng)中

◆碳化硅在其他電力設(shè)備中亦被廣泛應(yīng)用

鑒于碳化硅材料在高電壓下的優(yōu)良性能，碳化硅材料在新能源汽車、光伏逆變器等產(chǎn)業(yè)都有極為理想的應(yīng)用前景。

未來隨著新能源汽車以及光伏產(chǎn)業(yè)高壓驅(qū)動，碳化硅器件市場規(guī)模還有巨大成長空間，在電力設(shè)備行業(yè)中將有更大的應(yīng)用。

◆實(shí)現(xiàn)快充的兩種形式（高壓&大功率）

充電功率越大，充電時(shí)間越短。根據(jù)P=UI （功率=電壓x電流），實(shí)現(xiàn)大功率充電可以通過增大充電電流和提高電壓兩種方式：

增大充電電流：即提高單體電芯的最大充電電流，需要對電芯的材料體系和結(jié)構(gòu)進(jìn)行升級，降低電池在快充過程中產(chǎn)熱和析鋰，避免引起熱失控等安全問題。

以特斯拉Mode13為代表，最大充電電流可達(dá)到700A,可實(shí)現(xiàn)31分鐘充80%的電量

提高電池系統(tǒng)電壓：以保時(shí)捷為代表，電壓平臺從400V提升至800V,最大電流僅為334A的情況下，實(shí)現(xiàn)22.5分鐘從5%充電至80%的電量

由于增大電流會使得能量損失嚴(yán)重，轉(zhuǎn)化效率低，且對熱管理系統(tǒng)造成較大負(fù)擔(dān)，因此高壓大功率更有效率。

◆主流車企布局高壓快充車型

2020年保時(shí)捷首次推出支持800V高壓快充的Tycan后，全球車企加快研發(fā)高壓快充車型，補(bǔ)電時(shí)間向10min以內(nèi)邁進(jìn)。廣汽、小鵬、北汽、東風(fēng)、長安等均已推出基于800V及以上高壓平臺的高端車，且快充性能可以達(dá)到“充電10min續(xù)航增加200km左右”。

例如廣汽埃安在2021年4月發(fā)布的6C超快充系統(tǒng)，最大電壓達(dá)800V，最大電流大于500A，只需8min即可完成0%-80%SOC的充電3。

2026年預(yù)計(jì)800V以上高壓車型銷量將過半。

目前800V高壓平臺車型已經(jīng)成為當(dāng)前頭部車企布局的主力，2023年滿足3C以上高壓快充的高端車型將密集上市

隨著高壓快充車型的加快增長，高壓快充充樁不斷布局。

根據(jù)華為測算，要實(shí)現(xiàn)5min以內(nèi)快充，充電樁功率須向480kw演進(jìn)。

主流車企及充電運(yùn)營商已經(jīng)開始布局大功率快充樁。

如：國網(wǎng)快充樁招標(biāo)中，80kw充電樁占比已從2020年的 63%下降至 2022年的 37%，

而160kw 和240kw分別從 35%和1%上升至57%和4%，并已開始布局480kW的大功率快充樁

◆高壓快充樁面臨多重挑戰(zhàn)

包括充電模塊在更高電壓下的承受能力，在更大電流和更高開關(guān)頻率下的散熱能力和能量損耗，在惡劣條件下的安全和穩(wěn)定性問題，以及來自建設(shè)規(guī)劃與運(yùn)營商等多方的成本控制要求等。這些難題對充電樁的高效性和安全性都提出了更高的要求。因此在設(shè)備方面，亟需采用更耐高壓、耐高溫、安全的新型器件。

◆碳化硅產(chǎn)業(yè)

碳化硅的產(chǎn)業(yè)鏈從上游的襯底和外延，到中游的器件和模塊制造(包括器件設(shè)計(jì)、制造和封測等)，最后是下游的終端應(yīng)用。

碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈價(jià)值量倒掛，關(guān)鍵部分主要集中在上游端，其中襯底生產(chǎn)成本占總成本的47%，外延環(huán)節(jié)成本占23%，合計(jì)上游成本占到碳化硅生產(chǎn)鏈總成本的約70%

其中襯底制造技術(shù)壁壘最高、價(jià)值量最大，既決定了上游原材料制備的方式及相關(guān)參數(shù)，同時(shí)也決定著下游器件的性能，是未來碳化硅大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)的核心。

根據(jù)襯底類型進(jìn)行劃分，可將碳化硅器件分為半絕緣型和導(dǎo)電型兩種技術(shù)路線

碳化硅對比傳統(tǒng)硅材料優(yōu)勢如下：

寬禁帶特性，耐壓能力強(qiáng)大，降低導(dǎo)通電阻，提高功率密度

低能量損耗，高開關(guān)頻率，抗輻射能力強(qiáng)

高熱導(dǎo)率強(qiáng)化散熱，通態(tài)電阻更耐高溫，簡化元件布局，促進(jìn)系統(tǒng)輕量化

◆高壓快充依賴于碳化硅材料模塊

充電模塊是充電樁的核心零部件，約占充電樁總成本的50%；其中，半導(dǎo)體功率器件又占到充電模塊成本的30%，即半導(dǎo)體功率模塊約占充電樁成本15%。在高壓快充的趨勢下，碳化硅器件的運(yùn)用能有效解決充電樁設(shè)備目前亟需采用更耐高壓、耐高溫、安全的新型器件的痛點(diǎn)，降本增效實(shí)現(xiàn)電動車快速充電。

碳化硅性能優(yōu)異，平衡高價(jià)格與綜合收益成重要課題。

由于碳化硅器件耐高壓、耐高溫、低能量損耗等優(yōu)秀特性，具備增大功率密度、減小設(shè)備體積、優(yōu)化散熱系統(tǒng)等多方面優(yōu)勢，通過以上多種渠道可對系統(tǒng)整體成本降低起到重要幫助。因此，如何平衡碳化硅器件自身的高價(jià)格，與其帶來的系統(tǒng)綜合效益，將成為后續(xù)行業(yè)發(fā)展的一大重點(diǎn)課題。

大尺寸襯底技術(shù)助力碳化硅襯底和外延價(jià)格下降。

目前，碳化硅襯底市場重心向大尺寸襯底轉(zhuǎn)移，更大的襯底尺寸，意味著單片芯片數(shù)量的提升以及產(chǎn)出率和利用率的提高。隨著大直徑襯底量產(chǎn)產(chǎn)線的普及和產(chǎn)品更新?lián)Q代，可以預(yù)計(jì)碳化硅襯底價(jià)格在未來將會進(jìn)一步下降，碳化硅滲透率即將迎來加速上升。

基于SiC襯底，外延環(huán)節(jié)普遍采用化學(xué)氣相沉積技術(shù)(CVD)獲得高質(zhì)量外延層，隨后在外延層上進(jìn)行功率器件的制造。碳化硅外延片的成本主要來源于原材料成本（即襯底），約占52%左右。伴隨碳化硅襯底價(jià)格的下降趨勢，碳化硅外延片價(jià)格下降也將成為未來的必然趨勢。

技術(shù)革新和國產(chǎn)化推動碳化硅成本下降，與硅基器件差距正在縮小。

由于大尺寸襯底技術(shù)等技術(shù)的革新以及國產(chǎn)化等因素驅(qū)動，碳化硅器件成本已開始呈現(xiàn)下降趨勢，碳化硅器件與硅基器件價(jià)格差距正在縮小。據(jù)CASA數(shù)據(jù)顯示，1200V SiC SBD實(shí)際成交價(jià)與Si器件價(jià)差已縮小至2-2.5倍之間

◆新型充電樁市場滲透率仍處于低位，市場廣闊

目前，在充電樁市場里SiC尚處于導(dǎo)入階段，根據(jù)CASA的測算顯示，2018年碳化硅在直流充電樁的充電模塊滲透率僅約10%，雖2021年增長至17%，但碳化硅新型充電樁市場滲透率仍處低位。在高壓快充的大背景下，越來越多的充電樁制造企業(yè)開展碳化硅的研發(fā)并將碳化硅運(yùn)用至充電模塊及相關(guān)產(chǎn)品中，“SiC”+“800V”組合逐步成為新能源車企和充電樁樁企的布局熱點(diǎn)，預(yù)期未來隨著成本的降低，加之電動汽車對于充電速度要求的不斷提升，SiC在充電樁市場的滲透率將進(jìn)一步提升，并快于整車市場。預(yù)計(jì)到2025年中國充電樁行業(yè)的SiC滲透率可達(dá)到35%。