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    充電樁的那顆半導體“心臟”

    2023/09/01
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    隨著新能源汽車滲透率的不斷突破,從2016年僅1%,到如今,上海電動汽車滲透率已超50%,背后離不開產業鏈上下游的持續發展,以及半導體元器件的不斷改進。充電樁的數量與分布密度更是決定了用戶對新能源汽車續航里程是否焦慮的直觀感受,以及對后續補能是否便利的提前考量。

    除了私有的交流樁可以在夜間慢充補電之外,更為關鍵的就是公共充電樁,尤其是正在成為主力的公共直流充電樁(快充)。而直流充電樁擁有的那顆半導體“心臟”到底是怎樣的?除了知名國際廠商外,又有哪些本土公司正在積極布局?今天,與非網將就此進行深入分析。

    直流快充通常是指充電樁自身內部實現交直流轉換模塊,無需借用 OBC,將電網或儲能設備中的交流電轉換成直流電,直接給汽車充電。直流快充功率取決于充電樁自身輸出功率和 BMS(電池管理系統),如電池電壓升級至 800V,直流快充功率通常將超過 120 kW,碳化硅器件的高功率特性即可有其用武之地,進而提高充電效率和縮短充電時間。

    充電樁的那顆半導體“心臟”

    近年來,受益于新能源汽車快速增長,與之相配套的充電樁市場同樣呈現出快速發展態勢。據億渡數據預測,至 2026 年,中國充電設施市場規模將達 2870.2億元, 2022 年到 2026 年復合增長率高達37.83%。


    圖、2015-2022年中國新能源汽車保有量、充電樁數量及車樁比數據 來源:中國充電聯盟、中汽協等

    根據中國充電聯盟統計,2023年7月比6月公共充電樁增加6.2萬臺,7月同比增長40.4%。截至2023年7月,全國充電基礎設施累計數量為692.8萬臺,同比增加74.1%。充電基礎設施與新能源汽車同步快速增長。

    充電模塊作為直流充電設備的“心臟”,主要由芯片、功率器件、電容、磁元件、PCB等半導體元器件組成,而功率器件正是這顆“心臟”中使用最多的半導體。

    功率器件是電子產業鏈中核心器件之一。 能夠實現電能轉換和電路控制,在電路中主要起著功率轉換、功率放大、功率開關、線路保護、逆變(直流轉交流)和整流(交流轉直流)等作用。

    充電模塊中的功率器件主要包括 MOSFETIGBT 兩種,各自適用于不同的電壓范圍,在充電模塊方面均有使用。相比于 Si 基器件,SiC MOS 具有更低的導通損耗、更低的開關損耗、更高的開關頻率等優良特性,并且可在高溫、高壓、干擾等惡劣的環境中高效工作,能夠大幅提升充電模塊的功率密度、延長充電模塊的使用壽命、降低運營商和樁企的運維成本。

    圖、SiC對電動汽車充電時間的影響 來源:英飛凌

    顯而易見,SiC的加入,將大幅提升充電模塊的功率密度、延長使用壽命。作為第三代功率半導體,碳化硅的應用也將大幅加速直流充電樁的性能。

    2020 年,充電樁被列入國家七大“新基建”領域之一。 2020年兩會期間,《政府工作報告》還強調“建設充電樁,推廣新能源汽車,激發新消費需求、助力產業升級”。

    在公共直流充電樁所需的工作功率和電流要求下,其采用的功率器件以高壓 MOSFET 為主。超級結 MOSFET 因其更低的導通損耗和開關損耗、高可靠性、高功率密度成為主流的充電樁功率器件應用產品,具體應用于充電樁的功率因數校正(Power Factor Correction, “PFC”)、直流-直流變換器以及輔助電源模塊等。超級結 MOSFET 將充分受益于充電樁的快速建設。據英飛凌統計, 100kW 的充電樁需要功率器件價值量在 200-300 美元,預計隨著充電樁的不斷建設,功率器件尤其是超級結 MOSFET 將迎來高速發展機遇。

    國內爭相布局充電樁的功率半導體廠商

    東微半導體:重點布局充電樁領域,硅方碳器件、TGBT等新品頻出

    東微半導體作為國內最早開始替換進口器件應用于直流充電樁的公司,通過多年自主研發,斬獲了創新結構的高壓超級結技術專利,突破國際大廠對充電樁企業使用MOSFET的壟斷。

    2016年4月13日,該公司率先量產國內首款自主研發充電樁用功率半導體核心器件,并進入國際大廠長期壟斷的工業電源應用領域。

    東微半導體董事長兼總經理龔軼曾表示,國產化以后,充電樁整體成本降低,對新能源車的普及有較強的推動作用。

    2022年,東微半導體營業收入為11.16億元,同比增長42.74%。其中,新能源汽車直流充電樁領域收入占當期主營業務收入的比重約15%,較上年同期增長約 6%,車載充電機領域收入占當期主營業務收入的比重逾21%,較上年同期增長約500%。兩個充電應用領域的方向出現不同幅度的增長。

    具體產品而言,東微半導體獨創器件結構的Tri-gate IGBT (TGBT) 新型功率器件實現迅速放量,并憑借優異的產品性能進入包括直流充電樁在內的高效率電能轉換系統應用,已在多個重點客戶實現批量供貨。

    第三代半導體研發及產業化方面,東微半導體也進行了提前布局。在SiC二極管、SiC MOSFET及Si2C MOSFET器件上取得了較大的研發進展,其中,Si2C MOSFET實現少量出貨,進入批量生產階段。

    Si2C MOSFET則是東微半導體多年積累的功率半導體設計及工藝能力研發的獨創結構的器件。設計不同,工藝便存在差異。

    Si2C MOSFET器件克服了傳統SiC MOSFET成本高和Vth飄移的缺點,擁有極好的柵氧可靠性與高柵源耐壓,同時具有極低的反向恢復時間和反向恢復電荷,易于應用,適用于圖騰柱無橋PFC、H橋逆變等拓撲結構,可以在新能源汽車車載充電機、儲能逆變器、高效率通信電源、高效率服務器電源等多種應用場景對采用傳統技術路線的SiC MOSFET進行替換,高性價比將帶來廣闊的市場前景。

    東微半導體在公告中提到,新能源汽車及直流充電樁領域是該公司的重點拓展方向。其高壓超級結MOSFET及中低壓SGT MOSFET已批量出貨給比亞迪、凱斯庫、哈曼、聯合電子等公司。

    隨著新能源汽車市場滲透率的迅速提升,充電樁模塊市場也將迎來新一輪的迅速增長。東微半導體與國內各主要的直流充電樁電源模塊廠商建立的合作關系,意味著其持續批量的出貨,及帶來的可觀的業績增長。


    表、東微半導體已應用于充電樁的相關產品及其技術特點 來源:與非網整理

    總的來說,除了常規主打的高壓超級結MOSFET及中低壓SGT MOSFET,東微半導體的硅方碳器件及TGBT也將在充電樁功率半導體領域發揮重要作用。

    華潤微:發力SiC MOSFET

    2021年12月,華潤微推出的1200V SiC MOSFET產品的主要應用領域就包括了新能源汽車充電樁。2022年初,針對性地快速推出160毫歐、100毫歐、80毫歐、40毫歐等系列化產品。

    2022年,華潤微營業收入為100.6億元,同比增長8.77%。其中,IGBT產品線營收5.24億元,同比增長145%,營收及規模實現快速增長。

    一方面,華潤微在頭部車企以及多家Tier1企業實現了大批量供貨,汽車領域的銷售額占比由2021年2.9%增長至22%;另一方面,通過加強光伏、儲能、充電樁、UPS等工控市場的推廣力度,獲得頭部客戶驗證并實現量產,工控市場銷售額占比由21%增長至43%。

    SiC和GaN產品營收同比增長324%。碳化硅二極管二代平臺已完成650V、1200V全系列化產品開發,覆蓋目前主流應用需求,包括汽車電子OBC、充電樁、儲能、光伏、大功率電源等多領域的批量供應。

    新潔能:SJ-MOSFET 穩步提升

    新潔能2022年總營收18.11億元,同比增長19.87%。其第四代溝槽柵SJ -MOS平臺開發了集成超快恢復體二極管系列大電流產品,并已經在多家頭部OBC、充電樁、服務器電源等客戶批量使用。

    新潔能持續加大數據中心、汽車OBC、充電樁、微型逆變器等下游應用領域的開拓,其SJ-MOSFET產品2022年實現銷售收入2.13億元,同比增長38.41%;銷售占比也從去年同期的10.21%提升至11.80%。

    寫在最后

    近日,人民日報評論提到充電樁概況,稱目前我國已建成世界上數量最多、輻射面積最大、服務車輛最全的充電基礎設施體系,同時新能源汽車充電依然面臨充電樁位置查找難、故障率高、充電車位被占用等挑戰,未來需要進一步優化布局、加強服務。

    半導體元器件作為充電樁背后至關重要的上游材料,功率半導體是其中占比最高的半導體器件。隨著國內廠商的加速布局,充電樁的這顆半導體“心臟”的國產化步伐也越來越快。從充電樁到充電模塊,再到功率半導體,充電樁產業鏈的國產化向上游進軍正當時。

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