充电桩行业专题报告：从高压快充看碳化硅在电力设备中的运用
（报告出品：长城证券）
1.充电桩行业趋势：高压快充大势所趋
充电时长成电动汽车痛点之一，提高充电速度迫在眉睫
根据麦肯锡发布的《2023麦肯锡中国汽车消费者洞察》，电动汽车消费者最关注的问题就是续航里程与充 电时间，高达56%的受访者都认为此非常重要，远大于第二、第三关注因素的动态体验（48%）和用车成本 （46%）。基于此，提高充电桩的充电速度迫在眉睫。
高压大功率比大电流方案更有效率
基于“电池充电电量=充电功率x时间”的充电原理，我们可知充电功率越大，充电时间越短。根据P=UI （功率=电压x电流），实现大功率充电可以通过增大充电电流和提高电压两种方式：增大充电电流：即提高单体电芯的最大充电电流，需要对电芯的材料体系和结构进行升级，降低电池 在快充过程中产热和析锂，避免引起热失控等安全问题。以特斯拉Mode13为代表，最大充电电流可达 到700A,可实现31分钟充80%的电量1。提高电池系统电压：以保时捷为代表，电压平台从400V提升至800V,最大电流仅为334A的情况下，实现 22.5分钟从5%充电至80%的电量2。由于增大电流会使得能量损失严重，转化效率低，且对热管理系统造成较大负担，因此高压大功率更有效 率。
车企不断提升车辆电压平台，高压快充将成未来趋势
在电动推广初期，消费者对电动汽车充电速度关注不多，电动汽车补能方式以慢充为主，直流充电的 电压/电流普遍在350V/125A以下。随着电动汽车快速上量，原有补能效率已不能满足用户需求。2015年发布的GB/T20234.3《电动汽车传导充电用连接装置第3部分直流充电接口要求》，将直流充电 接口电流从原来的125A提升至上限250A,以满足电池容量增加带来的充电功率增加。随后车企主要通过提升车辆电压平台，来实现基于250A电流下的快充。电压平台由350V逐步向450V、 750V演进，实现充电倍率1-2C。当前部分车企通过提升电流到500A来实现3-4C的快充。随着耐高压、低损耗、高功率密度的SiC功率器件的逐步深入应用，950V左右的的电压平台逐步被车企 提上日程，并将成为未来3-5年的重要趋势。950V/500A的高压快充桩可达480kW的充电功率，实现5min 左右的快速补能，真正实现“充电像加油一样快捷”。国家有关部门已将1000V纳入乘用车大功率快充充电接口标准中，以适应未来“千伏”高压平台的落地。
主流车企纷纷布局高压快充车型
2020年保时捷首次推出支持800V高压快充的Tycan后，全球车企加快研发高压快充车型，补电时间向10min以 内迈进。广汽、小鹏、北汽、东风、长安等均已推出基于800V及以上高压平台的高端车，且快充性能可以达 到“充电10min续航增加200km左右”。例如广汽埃安在2021年4月发布的6C超快充系统，最大电压达800V， 最大电流大于500A，只需8min即可完成0%-80%SOC的充电。
目前800V高压平台车型已经成为当前头部车企布局的主力，据我国主要车企规划2002年逐步量产，2023年满 足3C以上高压快充的高端车型将密集上市，2025年主流车型均将支持高压快充。根据华为发布的《高压快充 产业发展报告2023-2025》预测，预计到2026年底，支持高压快充车型的市场保有量将达1300万辆以上。
为适应高压快充车型，高压快充桩不断布局
根据华为测算 ， 要实现 5min以内快充，充电桩功 率须向480kw演进。为适应未来大功率高压快 充发展趋势，主流车企及 充电运营商已经开始布局 大功率快充桩。如：国网 快充桩招标中，80kw充电 桩占比已从2020年的 63% 下降至 2022年的 37%，而 160kw 和240kw分别从 35% 和1%上升至57%和4%，并 已开始布局480kW的大功 率快充桩，此外广汽埃安 的A480超级充电桩最大充 电功率亦是达到480kW。
2.碳化硅为高压快充桩发展带来新机遇
碳化硅作为第三代半导体材料前景广阔
半导体材料的发展历程可分为三代，首先是以硅、锗为代表的第一代半导体，发展最成熟，应用相对 广泛，主要应用于低压、低频、中低功率晶体管领域；其次是以GaAs、InP等化合物为代表的第二代 半导体材料，一般应用于微波通讯、光通讯等特色芯片领域；最新诞生的第三代半导体材料，以SiC、 GaN等化合物为代表，由于材料具有禁带宽度大、电子迁移率高、击穿电压高、导热率高等特性，适 合应用在高压，高频、高温、抗辐照等领域，在轨道交通，新能源汽车，特高压输电、大功率电源及 电驱应用领域中具有广阔的应用前景。
碳化硅产业链以衬底制造为核心
碳化硅的产业链从上游的衬底和外延，到中游的器件和模块制造(包括器件设计、制造和封测等)，最后 是下游的终端应用。碳化硅产业链价值量倒挂，关键部分主要集中在上游端，其中衬底生产成本占总成 本的47%，外延环节成本占23%，合计上游成本占到碳化硅生产链总成本的约70% 5。其中衬底制造技术壁 垒最高、价值量最大，既决定了上游原材料制备的方式及相关参数，同时也决定着下游器件的性能，是 未来碳化硅大规模产业化推进的核心。
碳化硅衬底根据技术路径不同，应用于不同领域
半绝缘型：碳化硅的耐热性和导热性都较好，可以弥补氮化镓器件耐热性较差的缺点。因此业界采取半 绝缘型碳化硅做衬底，在衬底上生长氮化镓外延层，制得碳化硅基氮化镓外延片后进一步制成半绝缘型 碳化硅基射频器件，主要用于5G通信、车载通信、国防应用、数据传输、航空航天等领域。导电型：通过在导电型衬底上生长碳化硅外延层，得到碳化硅外延片后进一步加工制成导电型碳化硅功 率器件，品种包括造肖特基二极管、MOSFET、IGBT等。导电型碳化硅功率器件具备耐高压、耐高温、低 能量损耗等性能优势，主要用于电动汽车、光伏发电、轨道交通、数据中心、充电等基础建设。
碳化硅对比传统硅材料优势突出
碳化硅半导体开关的禁带宽度是普通硅质开关器件的3倍左右，临界击穿电场强度更是高达硅质半导体 开关的10倍以上，因此所，支持功率电子电路在远超100V/ns和10A/ns的电压和电流摆率下工作。能承 受的峰值电压更高，输出功率更大。
降低导通电阻，是降低器件损耗的必要条件。对于高压硅基功率器件来说，为了维持比较高的击穿电压， 一般需要使用较低掺杂率以及比较宽的漂移区，因此漂移区电阻在总电阻中占比较大。而碳化硅材料高 临界电场强度的特性意味着，单位面积下碳化硅器件的导通电阻更低，即相同电压等级下，碳化硅半导 体开关需要的漂移区厚度比硅质半导体开关器件更薄，使得功率模块整体尺寸更小，从而能够极大提高 整个模块的功率密度。
碳化硅引入充电桩，快速充电再升级
充电模块是充电桩的核心零部件，约占充电桩总成本的50%；其中，半导体功率器件又占到充电模块 成本的30%，即半导体功率模块约占充电桩成本15%。在高压快充的趋势下，碳化硅器件的运用能有效 解决充电桩设备目前亟需采用更耐高压、耐高温、安全的新型器件的痛点，降本增效实现电动车快速 充电。从效率角度来看，SiC MOSFET 和二极管产品依赖其耐高压、耐高温、开关频率快的特性，可以很好 地用于充电桩模块。与传统硅基器件相比，碳化硅模块可以增加充电桩近30%的输出功率，并且减少 损耗高达50%左右。同时，碳化硅器件的抗辐射特性还能够增强充电桩的稳定性。从成本角度来看：碳化硅的优秀特性能够有效提高单位功率密度，减小模块体积并简化电路设计，对 降低充电桩产品成本起到至关重要的作用。
3.碳化硅在其他电力设备中亦被广泛运用
碳化硅亦被广泛运用在其他电力设备中
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