【芯版图】SiC有望打破新能源汽车充电难题，大功率充电桩站上风口

集微网消息，伴随新能源车替代传统燃油车的发展趋势，新能源车在国内保有量逐年上涨，但新能源车长途出行难的问题也随之而来，引发广泛思考。

尽管随着技术发展，新能源汽车续航里程已不断突破，但续航里程依旧难以企及传统燃油汽车，节假日尤其是春节、国庆等返乡高峰期因堵车时间长、电量不足无法支撑长途驾驶而导致电动车半路抛锚的事情时有发生。

轻量化电池与充电桩两大技术高点

新能源汽车出行难，根源在于电池续航里程和充电桩布局。

为了解决续航焦虑，在电池能量密度有限的前提下，增大电池重量是最直接的办法。但大块电池同样也会带来过重、成本增加、能耗增加等问题。正如马斯克此前在社交平台发表的观点，特斯拉已经具备960公里续航里程的能力，但是没有实装在汽车上，因为高续航就意味着电池车身重量的增加，会导致汽车的性能变差，因此，马斯克在续航和性能之间选择了后者。

当前实现锂离子电池系统轻量化一般有三种途径，提高单体电芯能量密度,减轻电池系统配件质量,优化电池系统设计。但是，受限于现有电池技术，短期内难有突破性的动力电池技术能够投入商业量产。因此，对于新能源汽车而言，大功率快充已成必经之路。

今年两会，雷军提交了《关于加快新能源汽车大功率快充基础设施建设的建议》，指出当前我国公共充电桩中快充占比仅为四成，且快充功率普遍较低，导致充电速度慢、排队时间长、周转效率低等问题依然突出，难以适应当前新能源汽车行业的快速发展。

同样，全国人大代表、广汽集团董事长曾庆洪也指出，目前我国智能网联新能源汽车真正实现上路的主要是新能源汽车（如电动车）及L1/L2等低级别智能网联汽车（辅助驾驶），其在实际应用中仍存在许多问题。以新能源汽车为例，“充电难”问题是困扰用户、影响体验的最突出问题。

快速充电技术不完善，影响了充电的快捷度。目前国内相对常见的普通快充设备需要40分钟-60分钟，而慢充则需要8小时-10小时，与燃油车只要花5分钟就能加油完毕的情况形成了强烈对比。

SiC器件以其突出性能成“里程革命”推手

针对大功率无线充电关键技术，我国早已展开相关布局。

“十三五”国家重点研发计划“新能源汽车”重点专项先后启动部署了“电动汽车基础设施运行安全与互联互通技术”“安全可控、能源互联、开放互通的智能充电网研究与应用示范”“基于新型电力电子器件的高性能充电系统关键技术”等项目，累计投入国拨经费6000多万元，在多种功率充电、无线充电及充电安全等方面开展技术攻关。

为让汽车充电变得像加油站加油一样快，车厂正在积极寻求能够提高效率的材料，目前碳化硅是其中的领跑者。

碳化硅具有耐高温、耐高压、大功率等优点，可提高能量转换效率并减小产品体积。基于 SiC 的解决方案使汽车电动系统效率更高、重量更轻、结构更加紧凑，尽管碳化硅器件成本较高，但它推进了电池成本的下降和续航里程的提升，成为新能源汽车“里程革命”的最佳推手。

目前，SiC器件在新能源汽车上的应用主要包括电机驱动系统逆变器、电源转换系统（车载、电动汽车车载充电系统及非车载充电桩等方面。大体上可分为车载系统与非车载充电桩两大块。

在新能源汽车的车载应用中，SiC 功率器件可以显著降低散热器的体积和成本并且减小功率模块的体积。目前混合动力汽车中，车载逆变器的散热器件具有两套水冷系统，冷却温度均在 75-105 摄氏度。由于碳化硅具有的导热性能几乎为Si的三倍。此外，SiC功率器件的电流密度、 开关损耗都显著低于 Si 基器件，这使得同样的功率下，SiC-MOSFET 和 SiC SBD 可以在 100kHz 开关频率下工作。SiC功率器件的封装体积显著低于 Si-IGBT。

在市场需求推动之下，SiC的上车脚步也显著加快，意法半导体于 2021 年 6 月与雷诺集团达成战略合作，以提供用于电动和混合动力汽车的 SiC 功率器件供应，此举旨在降低汽车的电池成本、增加充电里程、 缩短充电时间最终使成本降低近 30%。ROHM 也于 2021 年9月与吉利汽车达成合作，后者将使用 ROHM 提供的SiC功率器件实现高效的逆变效率和充电性能。

根据WolfSpeed预测，新能源汽车是SiC器件应用增长最快的市场，预计 2022- 2026 年的市场规模从16亿美元到46亿美元，复合年增长率为30%，其中到2026年用于电机驱动逆变器仍是最大市场，占比超过80%。

大功率智能充电桩将成主流趋势

而除车载系统以外，大功率充电桩的布局也显得尤为关键。目前，大多数纯电动车都采用车载交流充电方案，必须花上好几个小时才能充满电。大功率化（比如30kW及以上）以实现电动车的快速充电也顺理成章成为充电桩的下一个重要布局方向。

大功率充电桩，也会带来不小的挑战，如：需要实现大功率高频转换开关操作，转换损耗所产生的热量。但SiC MOSFET 和二极管产品具有耐高压、耐高温、开关频率快的特性，可以很好地用于充电桩模块。与传统硅基器件相比，碳化硅模块可以增加充电桩近30%的输出功率，并且减少损耗高达50% 左右。同时，碳化硅器件还能够增强充电桩的稳定性。

为布局充电桩等配套设施，我国曾发布《电动汽车充电基础设施发展指南（2015-2020年）》等一系列文件并提供了各种优惠政策，但对于充电桩而言，成本依然是制约发展的重要因素之一，因此充电桩的功率密度就至关重要，而SiC器件是实现高功率密度的要害。碳化硅器件作为高压，高速，大电流器件，简化了直流桩充电模块电路结构，提高单元功率品级，功率密度显著提高，这为降低充电桩的系统成本降低铺平了门路。

从远期成本和使用效能来看，应用SiC器件的大功率充电桩将迎来巨大的市场机会。

我国在大功率充电桩也已展开相关布局。2017年5月，我国首个碳化硅新型充电桩示范工程正式启动；2021年9月，钛芯电子与湖南崇友智能科技、上海玫克生储能科技合作伙伴签订以碳化硅为核心设计的160KW直流快充桩产品战略合作协议，总体合作金额达30亿人民币。

从国际龙头企业来看，目前，ROHM 已经推出了基于碳化硅的充电基础设施解决方案，从而应用于高效和小型化的大功率充电桩。安森美也在开发用于直流充电桩的碳化硅功率器件和模块，希望构建更高功率的充电方式，并通过 AC-DC 和 DC-DC 级的升压转换器提高充电效率。

据中信证券数据，目前，新能源汽车充电桩中碳化硅器件的渗透率仅为 10%左右，这也给大功率充电桩预留了广阔空间。伴随充电桩数量的高速增长，相信在未来以更高功率密度为需求的充电桩模块中，SiC尤其是SiC MOSFET的应用会越来越多。（校对/西农落）