充電樁的那顆半導(dǎo)體“心臟”

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(dòng)汽車滲透率已超50%，背后離不開產(chǎn)業(yè)鏈上下游的持續(xù)發(fā)展，以及半導(dǎo)體元器件的不斷改進(jìn)。充電樁的數(shù)量與分布密度更是決定了用戶對(duì)新能源汽車?yán)m(xù)航里程是否焦慮的直觀感受，以及對(duì)后續(xù)補(bǔ)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(bǔ)電之外，更為關(guān)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(dǎo)體“心臟”到底是怎樣的？除了知名國(guó)際廠商外，又有哪些本土公司正在積極布局？今天，與非網(wǎng)將就此進(jìn)行深入分析。

直流快充通常是指充電樁自身內(nèi)部實(shí)現(xiàn)交直流轉(zhuǎn)換模塊，無需借用 OBC，將電網(wǎng)或儲(chǔ)能設(shè)備中的交流電轉(zhuǎn)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(tǒng)），如電池電壓升級(jí)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(jìn)而提高充電效率和縮短充電時(shí)間。

充電樁的那顆半導(dǎo)體“心臟”

近年來，受益于新能源汽車快速增長(zhǎng)，與之相配套的充電樁市場(chǎng)同樣呈現(xiàn)出快速發(fā)展態(tài)勢(shì)。據(jù)億渡數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)，至 2026 年，中國(guó)充電設(shè)施市場(chǎng)規(guī)模將達(dá) 2870.2億元， 2022 年到 2026 年復(fù)合增長(zhǎng)率高達(dá)37.83%。

圖、2015-2022年中國(guó)新能源汽車保有量、充電樁數(shù)量及車樁比數(shù)據(jù) 來源：中國(guó)充電聯(lián)盟、中汽協(xié)等

根據(jù)中國(guó)充電聯(lián)盟統(tǒng)計(jì)，2023年7月比6月公共充電樁增加6.2萬臺(tái)，7月同比增長(zhǎng)40.4%。截至2023年7月，全國(guó)充電基礎(chǔ)設(shè)施累計(jì)數(shù)量為692.8萬臺(tái)，同比增加74.1%。充電基礎(chǔ)設(shè)施與新能源汽車同步快速增長(zhǎng)。

充電模塊作為直流充電設(shè)備的“心臟”，主要由芯片、功率器件、電容、磁元件、PCB等半導(dǎo)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(dǎo)體。

功率器件是電子產(chǎn)業(yè)鏈中核心器件之一。 能夠?qū)崿F(xiàn)電能轉(zhuǎn)換和電路控制，在電路中主要起著功率轉(zhuǎn)換、功率放大、功率開關(guān)、線路保護(hù)、逆變（直流轉(zhuǎn)交流）和整流（交流轉(zhuǎn)直流）等作用。

充電模塊中的功率器件主要包括 MOSFET 和 IGBT 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(dǎo)通損耗、更低的開關(guān)損耗、更高的開關(guān)頻率等優(yōu)良特性，并且可在高溫、高壓、干擾等惡劣的環(huán)境中高效工作，能夠大幅提升充電模塊的功率密度、延長(zhǎng)充電模塊的使用壽命、降低運(yùn)營(yíng)商和樁企的運(yùn)維成本。

圖、SiC對(duì)電動(dòng)汽車充電時(shí)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(zhǎng)使用壽命。作為第三代功率半導(dǎo)體，碳化硅的應(yīng)用也將大幅加速直流充電樁的性能。

2020 年，充電樁被列入國(guó)家七大“新基建”領(lǐng)域之一。 2020年兩會(huì)期間，《政府工作報(bào)告》還強(qiáng)調(diào)“建設(shè)充電樁，推廣新能源汽車，激發(fā)新消費(fèi)需求、助力產(chǎn)業(yè)升級(jí)”。

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(jí)結(jié) MOSFET 因其更低的導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗、高可靠性、高功率密度成為主流的充電樁功率器件應(yīng)用產(chǎn)品，具體應(yīng)用于充電樁的功率因數(shù)校正（Power Factor Correction， “PFC”）、直流-直流變換器以及輔助電源模塊等。超級(jí)結(jié) MOSFET 將充分受益于充電樁的快速建設(shè)。據(jù)英飛凌統(tǒng)計(jì)， 100kW 的充電樁需要功率器件價(jià)值量在 200-300 美元，預(yù)計(jì)隨著充電樁的不斷建設(shè)，功率器件尤其是超級(jí)結(jié) MOSFET 將迎來高速發(fā)展機(jī)遇。

國(guó)內(nèi)爭(zhēng)相布局充電樁的功率半導(dǎo)體廠商

東微半導(dǎo)體：重點(diǎn)布局充電樁領(lǐng)域，硅方碳器件、TGBT等新品頻出

東微半導(dǎo)體作為國(guó)內(nèi)最早開始替換進(jìn)口器件應(yīng)用于直流充電樁的公司，通過多年自主研發(fā)，斬獲了創(chuàng)新結(jié)構(gòu)的高壓超級(jí)結(jié)技術(shù)專利，突破國(guó)際大廠對(duì)充電樁企業(yè)使用MOSFET的壟斷。

2016年4月13日，該公司率先量產(chǎn)國(guó)內(nèi)首款自主研發(fā)充電樁用功率半導(dǎo)體核心器件，并進(jìn)入國(guó)際大廠長(zhǎng)期壟斷的工業(yè)電源應(yīng)用領(lǐng)域。

東微半導(dǎo)體董事長(zhǎng)兼總經(jīng)理龔軼曾表示，國(guó)產(chǎn)化以后，充電樁整體成本降低，對(duì)新能源車的普及有較強(qiáng)的推動(dòng)作用。

2022年，東微半導(dǎo)體營(yíng)業(yè)收入為11.16億元，同比增長(zhǎng)42.74%。其中，新能源汽車直流充電樁領(lǐng)域收入占當(dāng)期主營(yíng)業(yè)務(wù)收入的比重約15%，較上年同期增長(zhǎng)約 6%，車載充電機(jī)領(lǐng)域收入占當(dāng)期主營(yíng)業(yè)務(wù)收入的比重逾21%，較上年同期增長(zhǎng)約500%。兩個(gè)充電應(yīng)用領(lǐng)域的方向出現(xiàn)不同幅度的增長(zhǎng)。

具體產(chǎn)品而言，東微半導(dǎo)體獨(dú)創(chuàng)器件結(jié)構(gòu)的Tri-gate IGBT (TGBT) 新型功率器件實(shí)現(xiàn)迅速放量，并憑借優(yōu)異的產(chǎn)品性能進(jìn)入包括直流充電樁在內(nèi)的高效率電能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)應(yīng)用，已在多個(gè)重點(diǎn)客戶實(shí)現(xiàn)批量供貨。

在第三代半導(dǎo)體研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化方面，東微半導(dǎo)體也進(jìn)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(fā)進(jìn)展，其中，Si2C MOSFET實(shí)現(xiàn)少量出貨，進(jìn)入批量生產(chǎn)階段。

Si2C MOSFET則是東微半導(dǎo)體多年積累的功率半導(dǎo)體設(shè)計(jì)及工藝能力研發(fā)的獨(dú)創(chuàng)結(jié)構(gòu)的器件。設(shè)計(jì)不同，工藝便存在差異。

Si2C MOSFET器件克服了傳統(tǒng)SiC MOSFET成本高和Vth飄移的缺點(diǎn)，擁有極好的柵氧可靠性與高柵源耐壓，同時(shí)具有極低的反向恢復(fù)時(shí)間和反向恢復(fù)電荷，易于應(yīng)用，適用于圖騰柱無橋PFC、H橋逆變等拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以在新能源汽車車載充電機(jī)、儲(chǔ)能逆變器、高效率通信電源、高效率服務(wù)器電源等多種應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)采用傳統(tǒng)技術(shù)路線的SiC MOSFET進(jìn)行替換，高性價(jià)比將帶來廣闊的市場(chǎng)前景。

東微半導(dǎo)體在公告中提到，新能源汽車及直流充電樁領(lǐng)域是該公司的重點(diǎn)拓展方向。其高壓超級(jí)結(jié)MOSFET及中低壓SGT MOSFET已批量出貨給比亞迪、凱斯庫、哈曼、聯(lián)合電子等公司。

隨著新能源汽車市場(chǎng)滲透率的迅速提升，充電樁模塊市場(chǎng)也將迎來新一輪的迅速增長(zhǎng)。東微半導(dǎo)體與國(guó)內(nèi)各主要的直流充電樁電源模塊廠商建立的合作關(guān)系，意味著其持續(xù)批量的出貨，及帶來的可觀的業(yè)績(jī)?cè)鲩L(zhǎng)。

表、東微半導(dǎo)體已應(yīng)用于充電樁的相關(guān)產(chǎn)品及其技術(shù)特點(diǎn) 來源：與非網(wǎng)整理

總的來說，除了常規(guī)主打的高壓超級(jí)結(jié)MOSFET及中低壓SGT MOSFET，東微半導(dǎo)體的硅方碳器件及TGBT也將在充電樁功率半導(dǎo)體領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

華潤(rùn)微：發(fā)力SiC MOSFET

2021年12月，華潤(rùn)微推出的1200V SiC MOSFET產(chǎn)品的主要應(yīng)用領(lǐng)域就包括了新能源汽車充電樁。2022年初，針對(duì)性地快速推出160毫歐、100毫歐、80毫歐、40毫歐等系列化產(chǎn)品。

2022年，華潤(rùn)微營(yíng)業(yè)收入為100.6億元，同比增長(zhǎng)8.77%。其中，IGBT產(chǎn)品線營(yíng)收5.24億元，同比增長(zhǎng)145%，營(yíng)收及規(guī)模實(shí)現(xiàn)快速增長(zhǎng)。

一方面，華潤(rùn)微在頭部車企以及多家Tier1企業(yè)實(shí)現(xiàn)了大批量供貨，汽車領(lǐng)域的銷售額占比由2021年2.9%增長(zhǎng)至22%；另一方面，通過加強(qiáng)光伏、儲(chǔ)能、充電樁、UPS等工控市場(chǎng)的推廣力度，獲得頭部客戶驗(yàn)證并實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，工控市場(chǎng)銷售額占比由21%增長(zhǎng)至43%。

SiC和GaN產(chǎn)品營(yíng)收同比增長(zhǎng)324%。碳化硅二極管二代平臺(tái)已完成650V、1200V全系列化產(chǎn)品開發(fā)，覆蓋目前主流應(yīng)用需求，包括汽車電子OBC、充電樁、儲(chǔ)能、光伏、大功率電源等多領(lǐng)域的批量供應(yīng)。

新潔能：SJ-MOSFET 穩(wěn)步提升

新潔能2022年總營(yíng)收18.11億元，同比增長(zhǎng)19.87%。其第四代溝槽柵SJ -MOS平臺(tái)開發(fā)了集成超快恢復(fù)體二極管系列大電流產(chǎn)品，并已經(jīng)在多家頭部OBC、充電樁、服務(wù)器電源等客戶批量使用。

新潔能持續(xù)加大數(shù)據(jù)中心、汽車OBC、充電樁、微型逆變器等下游應(yīng)用領(lǐng)域的開拓，其SJ-MOSFET產(chǎn)品2022年實(shí)現(xiàn)銷售收入2.13億元，同比增長(zhǎng)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?qǐng)?bào)評(píng)論提到充電樁概況，稱目前我國(guó)已建成世界上數(shù)量最多、輻射面積最大、服務(wù)車輛最全的充電基礎(chǔ)設(shè)施體系，同時(shí)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(zhàn)，未來需要進(jìn)一步優(yōu)化布局、加強(qiáng)服務(wù)。

半導(dǎo)體元器件作為充電樁背后至關(guān)重要的上游材料，功率半導(dǎo)體是其中占比最高的半導(dǎo)體器件。隨著國(guó)內(nèi)廠商的加速布局，充電樁的這顆半導(dǎo)體“心臟”的國(guó)產(chǎn)化步伐也越來越快。從充電樁到充電模塊，再到功率半導(dǎo)體，充電樁產(chǎn)業(yè)鏈的國(guó)產(chǎn)化向上游進(jìn)軍正當(dāng)時(shí)。