国产派恩杰SiC器件性能已媲美国外大厂，电车800V趋势下或迎来爆发

派恩杰半导体（PN Junction）”是专注于第三代半导体功率器件设计和方案的公司，成立于2018年9月，主要产品是碳化硅MOSFET，碳化硅SBD等器件。

电动汽车迈向800V平台，SiC优势更明显

谈到碳化硅MOSFET应用的趋势，派恩杰半导体创始人&总裁黄兴博士认为目前最大的市场还是电动汽车。包括特斯拉Model 3在内的电动汽车，当前都还是使用400V电压平台，但未来趋势是800V，其好处是能让整车重量更轻、体积更小、效率更高。在800V的汽车平台中，不管是电池充放电还是电机驱动系统中，都会用到下图这样的电机电子设备。

以充电速度来说，800伏电压平台能将充电速度从目前特斯拉400V系统的1分钟充9公里，提升到1分钟充27公里，充电10几分钟就能跑300公里；从线材成本上说，因为电压提升让线材中的电流更小，能够将铜线的截面积从400V 250A系统的95平方毫米，比重8.5kg/m，降低到截面积35平方毫米，比重3.1kg/m，降低铜线成本和重量的同时，在布局布线时拐弯也会更灵活；从功率器件成本上说，800V电压平台一般使用1200V的功率器件，每千瓦数成本比400V/600V/700V功率器件要更便宜。

随着中国碳中和目标的提出，国务院指导纲要里面明确提出两个要求，一是质，一是量。质的要求，就是到2025年纯电动乘用车新车平均电耗降至12.0千瓦时/百公里，新能源汽车新车销售量达到汽车新车销售总量的20%左右。从下图可以看到，就算是特斯拉model 3目前百公里电耗也在15度电左右，要在2025年实现上述电耗目标，碳化硅技术是绕不过去的。

再看量的要求，从市场容量看，中国2020年汽车销量2500万辆，2025年电动汽车占比要达到20%，所以电动汽车至少是年产500万辆，需求碳化硅6英寸晶圆产能预计年100万片，仅车用碳化硅器件市场约500亿元。

碳化硅器件和IGBT比，如何？

除了前段时间特斯拉率先把碳化硅器件做进量产的Model 3之外，目前绝大部分电动汽车还是采用IGBT方案。黄兴用1200V IGBT和1200V 碳化硅进行了对比，结论是在10 kHz 工作频率下，碳化硅能降低38%的损耗；在30 kHz工作频率，碳化硅能降低约60%的损耗，并且大幅减小散热器体积和重量，综合下来能令电池续航里程提高5~10%。“在碳化硅更高的开关频率下，未来允许电动汽车使用功率密度更高的高速电机，更小的EMI filter，还能让电机静音（>20kHz）。以特斯拉为例，其18000转的发动机在高速运行下，可通过提高频率，使用更小的电机来达到更高的功率密度。”

从成本上讲，同样功率等级的碳化硅器件成本约为IGBT模块的2.5至3倍。例如1200V 400A IGBT半桥模块量产价格300元，同样功率的SiC模块量产要900元。算下来3相全桥逆变器中模块成本相差（900-300)*3=1800元人民币，那么为什么还要上碳化硅？

因为在同样续航里程下，碳化硅能够大大减少电池成本。以目前电池USD $150/kWh的造价来看，一辆75kWh的电动汽车，由于碳化硅能提高5-10%的效率，同样的设计里程， 可节约电池成本3650~7300 元人民币（人民币:美金按6.5:1计算）。“所以总体来说，以目前的电池价格成本计算，车企用碳化硅已经更划算了。”黄兴补充道，“碳化硅每年还有大概20%的价格降幅，而IGBT目前来说已经是地板价了，不会再降了。”

再从整体产能投资预期看，到2025年预计中国电动汽车年需求500万辆，且要求百公里电耗<15kW·h。抛开效率要求不谈，单单是要满足每年500万辆汽车的需求，使用IGBT，需求8英寸晶圆产能100万片每年，产线造价70亿元，投入产出比74%；而使用SiC，需求6英寸晶圆产能80万片每年，产线造价16亿元，投入产出比975%。而SiC量产工艺还有进步空间，预计2025年成本降低一半，IGBT技术则已经成熟，由技术提升带来的成本下降空间有限。

黄兴还表示，用碳化硅的好处在于可以使用高速电机，让电机功率密度更高的同时减轻电机本身的重量。上图是10000转电机和23000转电机的对比，10000转的电机重量16.4千克，23000转电机只有5.6千克，电机重量仅为前者1/3。

国产创业公司中，唯一通过车企资质认证的

目前国内无论是像小鹏、蔚来、理想这样的造车新势力，还是比亚迪、上汽、北汽都在往电动车方向发力。碳化硅应用走在比较前面的有比亚迪和吉利，他们的OBC上已经大量使用碳化硅器件。因为OBC主要用在车载充电机，相对要求没有主驱逆变器这么高，所以车厂普遍希望先在OBC上进行验证，技术问题解决之后再导入主驱逆变器。

据黄兴透露，目前已经有多家国产碳化硅芯片在往比亚迪、小鹏等车企送样，派恩杰也在很多国内车厂中进行测试导入的阶段。“目前国产芯片厂商能做出碳化硅MOS的不多，所以国产汽车厂在碳化硅方面还是使用CREE、罗姆、ST产品为主。派恩杰目前是唯一一家以创业公司身份，通过国内车企OBC碳化硅测试的，另一家是一家央企。”

因派恩杰从晶圆到封装的整条供应链完全符合车规要求，据悉派恩杰已经拿到了一些车厂的供应商资质，且设计能力和产品性能可以达到跟CREE、ST做pin to pin替换的程度。“而目前在其他国产友商中，目前能送样通过测试的还是相对较少。”黄兴说道。

派恩杰的产品线和技术优势

下图是派恩杰目前已有的产品，碳化硅产品主要是针对工业，包括数据中心、光伏逆变、储能和汽车，也有主要是针对消费级的氮化镓产品。其中标红的芯片主要是面向汽车主驱逆变器的应用

具体到碳化硅MOSFET产品，黄兴从技术平台、Rdson、Qgd、HDFM等几方面与同类产品做了对比。其中HDFM指标就是Rdson与Qgd综合指标，也是衡量所有MOSFET等功率半导体优劣的重要参数指标。在理想情况下，同样的应用场景，如果派恩杰的SiC MOSFET 功耗为10W ，某国产品牌的功耗为24W，而跟欧美日本大厂横向对比也是不输的。

“一般来说，芯片面积越大Rdson越小，但芯片面积越大，电容也越大，导致开关损耗越大。”黄兴具体解释了这个参数对比的依据，“Rdson决定功率器件的导通损耗，Qgd决定开关损耗。两者相乘的数字越小，就说明综合损耗越小。派恩杰在所有对比的MOSFET里Rdson乘以Qgd是最小的。也就说在同样保证损耗的情况下，开关损耗最小。”

此外派恩杰的器件也遵循车规AEC-Q101的测试规范，并已实现大量出货。目前可以做到门级TDDB失效寿命1000年以下，失效率低于10PPM。

小结

据悉，派恩杰还是JEDEC国际标准委员会JC-70会议的主要成员之一，参与制定宽禁带半导体功率器件国际标准。三年间已发布50余款650V/1200V/1700V SiC SBD、650V , 1200V , 1700V , 750V SiC MOS、650V GaN HEMT功率器件，并且在海内外被部分一线客户导入使用。黄兴强调，派恩杰SiC MOSFET产品最大的特点是HDFM指标全球领先，而且产品目录应该是国产类似器件里最全面的。

派恩杰半导体的1700V SiC MOSFET，用于工业高压辅助电源、光伏辅助电源等，可直接替换硅MOSFET方案

派恩杰半导体的1200V SiC 模块，用于大功率工业逆变器、机车牵引、BMS等 

供应链方面，派恩杰的SiC晶圆由X-FAB生产制作，这是全球第一家提供150mm SiC工艺的晶圆代工厂，同时也是当前全球具备规模化量产能力的SiC晶圆代工厂TOP3，有30年的车规半导体生产历史，产线完全符合车规标准。产能据称可以达到每年100KK。黄兴表示，根据第三方机构&全球一线客户实机测试验证，派恩杰产品性能已达国际一流水平，有机会与国际企业一争高下，未来将争取成为在海外市场最大份额的中国碳化硅和氮化镓品牌。