特斯拉Model 3引领碳化硅在汽车领域的新篇章

标签:RF射频SiC
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自2016年以来,特斯拉Model 3以其革命性的技术革新,为全球汽车行业带来了前所未有的变革。这款车不仅因其独特的设计和卓越的性能受到消费者的喜爱,更因其成为首款采用全碳化硅功率模块主驱逆变器的纯电动汽车而备受瞩目,标志着碳化硅在汽车领域的应用开启了新的篇章。
 
特斯拉
 
在此之前,新能源汽车市场上普遍采用的是基于IGBT的硅基方案。然而,特斯拉Model 3的推出,打破了这一传统,以其创新的碳化硅技术引领了宽禁带半导体在汽车行业的广泛应用。碳化硅功率器件的引入,为汽车的动力控制和充电单元带来了显著的轻量化、高热导率以及更小的功率模块体积等优势。
 
特别是在充电单元方面,碳化硅的应用展现出了巨大的潜力。通过提高充电效率,碳化硅技术能够显著提升车辆的续航里程,降低对电池容量的需求。实验测算表明,碳化硅的应用能够使整车续航里程提升5%至10%,这一数字在电动汽车领域具有极为重要的意义。
 
特斯拉Model 3的主驱逆变器使用了ST GK026型号的碳化硅功率器件,这种器件具有出色的性能和稳定性。单片裸晶的面积仅为4.8mm×4.8mm,一片6英寸碳化硅晶圆可以生产出多达600个Gross Die。考虑到目前碳化硅芯片的良率约为50%,实际可用的Good Die约为300个。这一高效的生产过程,使得特斯拉能够在保证质量的同时,降低生产成本,为消费者提供更优质的产品。
 
如果一辆电动车的关键设备均采用碳化硅器件,那么整车可能使用100至150颗碳化硅裸晶。这意味着,平均每2至3辆特斯拉电动车就需要消耗一片6英寸碳化硅晶圆。以特斯拉2023年销售170多万辆Model Y/3计算,该公司一年需要60至80万片碳化硅晶圆。这一庞大的需求,进一步推动了碳化硅技术的发展和应用。
 
Model 3的主驱逆变器上共装配有48颗SiC MOSFET,这些器件的优异性能为车辆的高效运行提供了有力保障。然而,特斯拉早期推出的主驱逆变器碳化硅方案,由于其长期可靠性和稳定性未知,因此设定了较高的额定值以降低风险。这也使得特斯拉的逆变器规格过高,尤其是高性能版车型的狂暴模式(Ludicrous mode)是以增加额外碳化硅器件为代价的,而且这一功能的实际使用率并不高。
 
随着技术的不断进步和市场的不断发展,特斯拉也在不断探索和创新。如果特斯拉推出新的低成本车型,就无需维持相同的功率水平。随着碳化硅器件制造商不断推进技术发展,提升电流容量并减小芯片尺寸,下一代产品的更新换代成为可能。特斯拉未来全面转向800V架构,相比400V架构,所需的碳化硅芯片数量将减少。目前Model 3使用的是650V SiC MOSFET,如果升级到1200V的SiC MOSFET,理论上芯片用量可以减少一半,从48颗减少到24颗。这一技术的升级,不仅将进一步提高车辆的性能和效率,也将进一步推动碳化硅技术在汽车领域的应用和发展。
 
特斯拉Model Y/3的销量一直领先,这也进一步推动了碳化硅市场的需求。在2023年的电动车销量排行榜上,特斯拉Model Y再次成为最畅销的车型,销量超过120万辆,同比增长57%。这一成绩的取得,不仅得益于特斯拉品牌的影响力和产品的卓越性能,更离不开碳化硅技术的支撑和推动。
 
随着碳化硅在纯电动车中的渗透率快速提升,预计到2025年,碳化硅的渗透率将达到50%。届时,20万以上车型都将标配碳化硅,这一趋势将进一步推动碳化硅技术的发展和应用。同时,800V架构已成为新车型的标配,这也意味着未来将有更多车型采用碳化硅技术,进一步提升碳化硅的渗透率。
 
碳化硅供应链的发展也是推动其应用的重要因素之一。碳化硅供应链包括衬底、外延、器件设计、晶圆制造、模块封装等环节,其中衬底和外延的成本合计占比达到70%。随着国内碳化硅厂商的技术进步和产能提升,国产碳化硅衬底和外延片的质量和性能已经得到了显著提升,逐渐接近国际先进水平。这将有助于降低碳化硅器件的成本,推动其更广泛的应用。
 
此外,碳化硅器件价格的下降趋势也为其大量应用提供了有利条件。预计从2020年到2025年,碳化硅功率器件的价格将下降一半。这一降价趋势主要得益于衬底、外延片的国产化、器件量产工艺的成熟以及8英寸产线的规模效应等因素的共同作用。随着碳化硅器件成本的降低,其性价比将得到进一步提升,为其在汽车领域的广泛应用奠定了坚实的基础。
 
综上所述,特斯拉Model 3作为全球首款采用全碳化硅功率模块主驱逆变器的纯电动汽车,不仅开启了碳化硅在汽车领域的新篇章,更以其卓越的性能和广泛的应用推动了整个行业的发展。随着技术的不断进步和市场的不断发展,相信碳化硅技术将在未来汽车领域
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