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一直以来,“里程焦虑”、“充电缓慢”都是卡住新能源汽车脖子的关键问题,是车企和车主共同的焦虑。


为了解决最大的痛点,车企围绕着这个核心又迷茫的话题进行着不断的探索。但无论蔚来的换电策略、还是电池厂商不断探索的高密度三元锂电池,似乎都是在电池容量上下功夫,并没有真正地解决充电速率的问题,快速充电一直是人们心中一道过不去的坎。


但随着高压电气技术的不断进步,快充时代已经到来。继2019年4月保时捷Taycan Turbo S 全球首发三年后,800V高压超充终于开始了普及。相比于400V,800V带来了更高的功效,大幅提升功率,实现了15分钟的快充补能。


而构建800V超充平台的灵魂就是材料的革新,基于碳化硅的新型控制器,便引领着这一轮高压技术的革命。


01


碳化硅成半导体攻关热点


作为半导体材料之一,碳化硅的快速发展得益于半导体的广阔市场带动。


半导体,指常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料,被称为现代工业的“粮食”。近年受益于智能手机和智能穿戴等新兴消费电子市场的快速放量,以及汽车电子、工业控制和物联网等科技产业的发展,叠加半导体国产化的快速推进,我国半导体产业迎来了快速发展阶段。


近年来,全球半导体材料市场规模稳健增长。总销售额从2010年的449亿美元增长至2021年的643亿美元,2010-2021年复合增长率为33.3%。未来,随着半导体芯片工艺升级、芯片尺寸持续小型化,以及全球硅材料、化合物半导体材料的品种和性能不断迭代升级的影响下,晶圆制造材料占比有望继续提升。



我国半导体产业更是处于高速发展的阶段。2021年,我国半导体销售额达到了1921亿美元,同比增长 26.80%,2017-2021年复合增速高达9.94%,高于全球同期6.18%的复合增速。从销售额占比来看,我国半导体产业的全球影响力逐步增强,国内半导体销售额占全球比重从2017年的30.69%提升至2021年的35.27%。


碳化硅材料电气性能优越,有望成为半导体领域最具前景的材料之一。


半导体材料发展至今已经历三个阶段。常见的半导体材料包括硅(Si)、锗(Ge)等元素半导体及砷化镓(GaAs)、碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)等化合物半导体材料。


从被研究和规模化应用的时间先后顺序来看,上述半导体材料被业内通俗地划分为三代:


第一代半导体是以硅(Si)、锗(Ge)为代表,从20世纪50年代开始大规模应用,主要应用于低压、低频、低功率的晶体管和探测器中。但是硅材料的物理性质限制了其在光电子和高频电子器件上的应用,无法满足人类的需求。


第二代半导体材料是以砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)化合物材料为代表,从20时机90年代开始大规模应用,适用于制作高速高频、大功率及发光电子器件。但是第二代半导体击穿电场较低,限制了其在高温、高频和高功率器件领域的应用。另外砷化镓材料有毒,存在着引起环境污染的问题。


第三代半导体材料是以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)为代表的宽禁带半导体,多在通信、新能源汽车、高铁、卫星通信、航空航天等场景中应用。与前两代半导体材料相比,第三代半导体材料禁带宽度大,具有击穿电场高、热导率高、电子饱和速率高、抗辐射能力强等优势,因此,采用第三代半导体材料制备的半导体器件不仅能在更高的温度下稳定运行,适用于高电压、高频率场景,此外,还能以较少的电能消耗,获得更高的运行能力。


碳化硅在第三代半导体中存在的主要形式是作为衬底材料,可以满足高温、高压、高频、大功率等条件下的应用需求,当前碳化硅衬底已应用于射频器件及功率器件。具体来说,碳化硅器件有以下几个优点:


(1)耐高压:碳化硅击穿电场强度大,碳化硅制备器件可以极大提高耐压容量、工作频率与电流密度,在实际应用中可以设计成更小的体积。


(2)耐高温:碳化硅的禁带接近硅的3倍,可以保证碳化硅器件在高温条件下工作的可靠性,极限温度甚至可达600℃。同时,其导热性更高,有助于器件的散热,有助于实现设备的小型化。


(3)实现高频性能:碳化硅包和电子漂移速率大,可以实现更高的工作频率与功率密度,也可以减少能量损失。在800V高压工作下,碳化硅 MOSFET逆变器的能量损失仅为硅基IGBT能量损失的30%-50%之间。


在SiC产业链中,价值主要集中于上游衬底和外延。


SiC生产过程主要包括碳化硅单晶生长、外延层生长及器件制造三大步骤,分别对应衬底、外延、器件三大环节。



三大环节中,衬底成本占比达47%,其次为外延片,占比23%,这两大工序为SiC器件的重要组成部分。由于SiC衬底生产工艺壁垒高,生产良率较低,全球产量具有明显的瓶颈,因此其制造成本一直居高不下。此外,外延片的参数性能会受到SiC衬底质量的影响,其本身也会影响下游器件的性能。若能在衬底和外延片环节进行技术突破,将会大幅降低制造成本,提高性能。


02


碳化硅乘新能源车之东风起

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众所周知,电动汽车市场的高速增长推动了电动汽车动力系统、车载电池充电装置和充电基础设施对碳化硅电力电子设备的需求。新能源汽车是碳化硅功率器件应用中最主要的市场,也是产业近年来的核心增长引擎。


从整车性能来看,搭载碳化硅后,车辆损耗将降低80%,充电速度增加2倍,功率密度提高80%,体积减小50%。根据Cree公司的预测,碳化硅逆变器能够提升5%~10%的续航能力,节省400-800美元的电池成本(80kWh电池、102美元/kWh)。


特斯拉、蔚来等车厂的高端车型已应用碳化硅产品,未来将有更多车型采用。


光大证券认为,碳化硅产品在新能源车主驱模块中性能表现优异,逐步进入放量窗口期。


据Yole预测,受汽车市场以及工业、能源等市场推动,预计碳化硅功率器件市场将从2021年10.90亿美元增长至2027年62.97亿美元,期间年复合增长率达34%。


截至2025年,全球新能源汽车销量预计为2240万辆,据三安光电假设,B级以上车型会优先采用高压平台和碳化硅器件,并且每辆车碳化硅器件(以6寸晶圆计)用量约为150颗,那么到2025年,碳化硅在高压平台需求量将达到219万片,中高压平台需求达到437万片。


在新能源车的普及和高压化的推进下,碳化硅的未来需求量实为可观。



03


国内企业密集投资


不过,需要注意的是,在目前整个碳化硅市场中,美、日、欧等外商仍占据主导地位。根据Yole数据显示,Wolfspeed、英飞凌、罗姆约占据90%的碳化硅市场份额,其中Wolfspeed是碳化硅衬底的主要供应商,占据了一半以上的碳化硅晶片市场。东方财富证券指出,虽然相较于国外市场,我国开展碳化硅方面的研究工作比较晚,但国内目前已经催生出一批优质企业并实现碳化硅制造的全产业链覆盖。目前该领域以山东天岳、天科合达、同光晶体、中科钢研等衬底产品竞争优势相对突出。


而在这一基础上,A股的相关产业链公司也在加速相关投资和扩产。11月8日,三安光电旗下全资子公司与一从事新能源汽车业务的公司签署了碳化硅芯片《战略采购意向协议》,相关采购规模达到38亿元;今年7月,士兰微正式启动“SiC(碳化硅)功率器件生产线建设项目”,项目计划投资15亿元,建设一条6吋SiC功率器件芯片生产线,最终形成年产14.4万片6吋SiC功率器件芯片的产能;时代电气也于近期透露,投资4.6亿对原有SiC产线进行产能提升。


“在既有的产线上,我们主要是在做产品的深度验证。与新能源领域汽车端的合作伙伴进行积极合作,SiC的产品在用户车型上进行验证。从目前最新的产品性能来看,近几个月取得了重大进展,性能与国内头部企业非常接近,后续会进一步提升良率。SiC和IGBT供应状态一样,模块和芯片都做。对未来的市场需求也在做积极准备,国内的很多车企派了团队来针对车型的情况和需求进行研讨。”时代电气方面说。


对于碳化硅相关问题,士兰微在近期回复投资者提问也指出:“SiC明年的产能我们已经在规划和加快实施,争取明年能达到月产能6000片。SiC芯片已有少量的出货,主要配合IGBT应用在汽车OBC。汽车主驱上用的SiC模块,还在做内部测试评价,车规级的测试环节较多,即将给客户送样。我们争取在明年三季度能够开始供货。”


04


将与IGBT实现互补


在碳化硅产业链不断深化扩张之际,行业内就一直有声音提出:碳化硅未来是否会完全取代IGBT?


对此,深圳大学微电子研究院及半导体制造研究院院长王序进院士认为:“IGBT目前是用得最多的,碳化硅会逐渐替代一部分IGBT。但我个人认为不可能全部替代,因为市场永远是追求性价比,我认为未来应该是IGBT和碳化硅的互补。”


“碳化硅不会全部取代IGBT,它会在一些高端车或者在工业等级、电池容量达到一定程度的高端车型上才会有优势。”李贺龙表示,虽然相比IGBT使用碳化硅会使成本上升,但总体上却会在电动车成本最大的电池上提升效率并降低成本,从而实现整体成本的下降。


同时,李贺龙指出,未来新能源汽车对碳化硅模块的应用要求主要有4点:第一,成本低;第二,可靠性高;第三,可扩展性,即芯片和模块可以覆盖多个不同功率等级的车型需求;第四,可替换/可升级。


“总体上看,碳化硅有一定优势,尤其在汽车领域把碳化硅的技术进行快速迭代以后,未来光伏、风电等领域还会有更大的市场。目前碳化硅模块方面处于群雄逐鹿的阶段,尤其是国内的公司非常多,国内目前的碳化硅模块普遍采用跟随的策略,留给国内研发人员的空间还是比较大的。”李贺龙说。


写在最后


随着新能源汽车赛道的爆发,碳化硅市场进入蓬勃发展的阶段。碳化硅作为目前半导体产业最热门的赛道之一,吸引了众多半导体大厂和新锐力量参与其中。


与其它领域相同,新技术在诞生初期,都面临着成本过高的问题。现在的碳化硅就像过去光伏领域的HJT电池、氢能领域的膜电极、动力电池领域的固态电池一样,有着比较大的降本空间。但是可以确定的是,伴随着技术的进步、规模效应和产品良率的提升,碳化硅必然会凭借其优异的性能被广大的下游客户所接受。


或许就在不久的未来,碳化硅高压快充平台将全面取代当下的充电模组,彼时,将不再有“充电焦虑”,真正实现“充电五分钟,行驶两小时”。


来源:奇偶派, 证券时报, 财经涂鸦

注:文章内的所有配图皆为网络转载图片,侵权即删!

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