詳解汽車上的功率半導體

發(fā)布時間：2022-03-10作者來源：薩科微瀏覽：3930

隨著汽車電動化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化等發(fā)展，汽車電子迎來結構性變革大機會。在傳統(tǒng)燃料汽車中，汽車電子主要分布于動力傳動系統(tǒng)、車身、安全、娛樂等子系統(tǒng)中。按照功能劃分，汽車半導體可大致分為功率半導體（IGBT和MOSFET等）、MCU、傳感器及其他等元器件。

對于新能源汽車而言，汽車不再使用汽油發(fā)動機、油箱或變速器，“三電系統(tǒng)”即電池、電機、電控系統(tǒng)取而代之，新增DC-DC模塊、電機控制系統(tǒng)、電池管理系統(tǒng)、高壓電路等部件。相應地實現(xiàn)能量轉換及傳輸?shù)暮诵钠骷β拾雽w含量大大增加。因此從半導體種類上看，傳統(tǒng)燃料汽車中MCU含量[敏感詞]（23%），而新能源汽車中功率半導體含量[敏感詞]（55%）。

新能源汽車市場概況

目前，我國2020年前三季度整體乘用車銷量1337.6萬輛，其中新能源車銷量為65萬輛，而假設每個月200萬輛銷量，占比不到5%。預計2020年新能源銷量在120萬輛左右，市場滲透率4.8%。2025年滲透率目標為20%，要實現(xiàn)該目標意味著接下來5年新能源汽車占比要提升15%，每年滲透率平均提升約3%，對應約75萬輛的增量。

新能源汽車銷售情況

展望2021年，我國將成為拉升新能源車增量的主要地區(qū)：一方面，多項政策拉動車輛銷售與充電站設立；另一方面，對外牌車施行嚴格限行措施的一線城市如上海，新能源車牌不在限行規(guī)范內等，在多方面的刺激下，新能源車的銷售將回升至全球平均值之上。
多重因素驅動下，新能源汽車景氣度高企
全球汽車市場規(guī)模超過3.5億美元，年均銷量9000萬輛左右，汽車行業(yè)成為一個龐大的支柱性產業(yè)。2009年中國汽車銷量首次超越美國，至今已連續(xù)11年穩(wěn)居全球[敏感詞]大汽車市場，近幾年汽車銷量穩(wěn)定在2500萬輛/年左右。

2010年新能源汽車被國務院確定為七大戰(zhàn)略性新興產業(yè)之一，行業(yè)于2 014年后開始進入高速增長通道，從2015年開始國內新能源車銷量穩(wěn)居全球[敏感詞]。2019年中國新能源汽車銷量共計120.6萬輛，占全球221萬輛的一半以上。
2020年11月，國務院辦公廳印發(fā)了《新能源汽車產業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021-2035）》（以下簡稱《規(guī)劃》），提出到2025年，新能源汽車新車銷量將達到汽車總銷量的20%，預計500-600萬輛。未來5年中國的新能源汽車行業(yè)將迎來近40%的復合增速，顯示行業(yè)超高的景氣度。

多角度因素考慮，新能源汽車優(yōu)勢明顯
在成本、效率和環(huán)保的驅動下，新能源汽車注定成為未來汽車的主流形態(tài)：
從成本角度看，目前國家補貼和地方政府補貼相對較高，同時新能源汽車能耗費用以及保養(yǎng)費用較低，從車輛的全生命周期角度看，新能源汽車的全生命周期成本低于燃油汽車。
從技術角度看，在汽車智能化大趨勢下，電動汽車在承接自動駕駛性能方面更具優(yōu)勢。和燃油車相比，電動車整體結構更加簡化，計算機和其他電子設備更易與汽車控制器接口銜接，與智能網(wǎng)聯(lián)汽車相結合更具能耗優(yōu)勢。
從環(huán)保角度看，歐美繼續(xù)推行嚴格的排放標準，美國加州政府要求2035年起，加州銷售的每輛新車必須實現(xiàn)零排放。我國新能源汽車產業(yè)發(fā)展規(guī)劃中提出到2025年，新能源汽車新車銷售量達到汽車新車銷售總量的20%左右。

汽車電動化推動功率半導體量價齊升
汽車電子拉動半導體整體需求
從傳統(tǒng)燃料汽車到新能源汽車，半導體在汽車領域的占比逐年增加，汽車含硅量大大提升。2019年全球半導體行業(yè)市場規(guī)模為4121億美元，其中汽車行業(yè)貢獻12.3%的營收。2010-2019年汽車成為半導體行業(yè)需求增長最快的行業(yè)，年復合增速高達9.2%，遠高于半導體行業(yè)整體3.7%的增速水平。

汽車電動化，半導體價值倍增
從單車半導體價值量看，混動汽車和純電動車半導體價值分別為735美元和750美元，相比傳統(tǒng)燃油汽車450美元大大增加。
在傳統(tǒng)燃油汽車中，功率半導體主要用在啟動、停止和行車安全等領域。按照傳統(tǒng)汽車中半導體價值450美元，功率器件為50美元，占比10%左右。由于新能源汽車電池動力模塊都需要功率半導體，混合動力汽車的功率器件占比增至40%，純電動汽車的功率器件占比增至55%。按照純電動汽車半導體單車價值750美元計算，功率半導體單車價值量約為455美元,相比傳統(tǒng)汽車新能源車隊功率半導體需求提升接近9倍。

新能源汽車半導體主賽道：功率半導體
相較于燃油汽車，電動車新增功率器件的需求主要有三個方面：逆變器中的IGBT模塊；OBC、DC/DC中的高壓MOSFET；輔助電器中的IGBT分立器件。功率半導體是新能源汽車價值量提升最多的部分，需求端主要為IGBT、MOSFET及多個IGBT集成的IPM模塊等產品，核心用于大電流和大電壓的環(huán)境。

根據(jù)英飛凌介紹，從器件對應功率看，當功率從100kW增加到200kW以上，對應的器件從IGBT到SiC MOSFET過渡。根據(jù)應用場景不同，具體對應不同的功率器件。

新能源汽車功率半導體市場空間測算
根據(jù)全球新能源乘用車銷售量預計2025年約2100萬輛推算，按微混（525元）、插電混動（2100元）和純電(3185元)三類車型功率器件成本估算，2025年全球新能源汽車功率半導體市場空間約370億元。
按照我國新能源汽車產量有望在2025年實現(xiàn)600萬輛左右估算，考慮功率半導體價格漲幅，按純電動車EV功率器件800-3500元/輛，插電混動車PHEV（燃油動力系統(tǒng)上外掛電動系統(tǒng)）功率器件均為2100元/輛，預計國內新能源車功率器件市場空間2025年將增至160億元。

細分賽道一：IGBT，汽車動力系統(tǒng)的“CPU”
IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）即絕緣柵雙極型晶體管，是國際上公認的電力電子技術第三次革命[敏感詞]代表性的產品。IGBT是工業(yè)控制及自動化領域的核心元器件，其作用類似于人類的心臟，能夠根據(jù)工業(yè)裝置中的信號指令來調節(jié)電路中的電壓、電流、頻率、相位等，以實現(xiàn)精準調控的目的。保障電子產品、電力設備正常運行，同時降低電壓損耗，使設備節(jié)能高效。
IGBT是由MOSFET和BJT組成的復合功率半導體器件，既具備MOSFET輸入阻抗高、控制功率小、驅動電路簡單、開關速度快的優(yōu)勢，也具備BJT通態(tài)電流大、通電壓低、損耗小等優(yōu)點。其在高壓、高速、大電流等方面相比其他功率半導體器件具備明顯優(yōu)勢，是未來功率半導體應用的主要發(fā)展方向。

從上世紀80年代至今，IGBT經歷了數(shù)代更新發(fā)展，從平面穿通型（PT）到溝槽型電場—截止型（FS-Trench），芯片面積、工藝線寬、通態(tài)飽和壓降、關斷時間、功率損耗等各項指標經歷了不斷的優(yōu)化，斷態(tài)電壓也從600V提高到6500V以上。IGBT技術不斷更新是提高耐壓水平和減小損耗以達到下游領域的需求。采用新架構的IGBT通過降低關斷時間和通態(tài)壓降來減少功率損耗，提高斷態(tài)電壓水平，同時新工藝使得面積更小，工作溫度更高，成本更低。

IGBT未來發(fā)展趨勢主要薄片工藝，目的在于減小襯底電阻和較少熱阻而達到進一步減少損耗。在管芯上主要增加器件面積，提高電流密度。同時為了進一步降低制造成本，硅片也從一開始的5英寸到現(xiàn)在主流的8英寸和12英寸，折算后每顆芯顆成本可進一步降低。

技術方面。在新能源汽車中IGBT應用范圍一般在電壓600V以上，電流10A以上或頻率1KHz以上的區(qū)域，主要對應高電壓環(huán)境的電力驅動系統(tǒng)，電機控制系統(tǒng)及車載充電器，單車IGBT價值約400美元左右。
電力驅動系統(tǒng)主要用在逆變器DC-AC中，將充電電池12V的直流電轉換成為驅動電機220V的交流電驅動電機工作。電機控制系統(tǒng)上需要用到幾十個IGBT，從電池輸出高電壓后，需通過DC-DC變化為低電壓后供汽車低壓網(wǎng)絡使用，例如特斯拉的三相交流異步電機，每相用28個IGBT累計84個，其他電機12個IGBT，特斯拉總共用到96個IGBT。

電控系統(tǒng)是電動車價值量第二大單個部件，單個電動車中電控采購成本約為3000-5000元，其中IGBT在電控成本中占比高達41%，是電控核心部件，其功能主要是完成車載充電器上電流變化。除此之外，IGBT亦用于空調系統(tǒng)，PCT加熱器等小功率逆變部分。

IGBT市場規(guī)模空間較大，全球IGBT市場2018年規(guī)模約為62.24億美元，預計2025年達到95億美元。我國IGBT市場規(guī)模2019年達155億元，根據(jù)Trendforce預測，受益于新能源汽車和工業(yè)領域的需求大幅增加，中國IGBT市場規(guī)模將持續(xù)增長，預計到2025年中國IGBT市場規(guī)模將達到526億元（75億美金），年復合增長率達19.11%。

競爭格局。目前IGBT芯片基本都被外資壟斷，我國IGBT高度依賴進口。根據(jù)英飛凌對2018年全球市場格局的統(tǒng)計，模組端斯達半導作為[敏感詞]國產公司躋身前十位，市場占比2.2%。從汽車功率半導體公司上看，前5大企業(yè)主要為英飛凌、STM等外資企業(yè)，市占率達到63%，整體市場還是被海外壟斷。

除斯達半導外，中車時代電氣及比亞迪為國內IGBT自主研發(fā)領軍企業(yè)。根據(jù)2019年國內車規(guī)級IGBT市場統(tǒng)計，前10名供應商中三家中國企業(yè)（比亞迪、斯達半導、中車時代電氣）的市場份額合計僅20.4％，國產化程度低。相對全球整體市場，國內市場生態(tài)相對寬松，國產品牌獲得相對更高的市場份額。圖片整體上看IGBT市場空間大，且目前國產化程度低，車規(guī)級IGBT國產化替代空間大。目前國產龍頭已進入頭部市場，且技術發(fā)展較快，在政策和資本大力支持下，國內廠商有望打開市場缺口占領部分市場份額。
細分賽道二：第三代半導體SiC等器件嶄露頭角
硅是半導體行業(yè)[敏感詞]代基礎材料，目前全球95%以上的集成電路元器件是以硅為襯底制造的。半導體材料經過幾十年的發(fā)展，可以分為三代：

[敏感詞]代半導體材料：鍺、硅等單晶半導體材料，硅擁有1.1eV的禁帶寬度以及氧化后非常穩(wěn)定的特性。
第二代半導體材料：砷化鎵、銻化銦等化合物半導體材料，砷化鎵擁有1.4電子伏特的禁帶寬度以及比硅高五倍的電子遷移率。
第三代半導體材料：以碳化硅、氮化鎵為代表的寬禁帶半導體材料，有更高飽和漂移速度和更高的臨界擊穿電壓等突出優(yōu)點，適合大功率、高溫、高頻、抗輻照應用場合。
半導材料發(fā)展至今，[敏感詞]代硅材料半導體已經接近完美晶體?；诠璨牧仙掀骷脑O計和開發(fā)也經過了許多代的結構和工藝優(yōu)化和更新，正在逐漸接近硅材料的極限，基于硅材料的器件性能提高的潛力愈來愈小。以氮化鎵、碳化硅為代表的第三代半導體具備優(yōu)異的材料物理特性，為進一步提升電力電子器件的性能提供了更大的空間。

第三代半導體由于在物理結構上具有能級禁帶寬的特點，又稱為寬禁帶半導體，主要是以氮化鎵和碳化硅為代表，其在半導體性能特征上與[敏感詞]代的硅、第二代的砷化鎵有所區(qū)別，使得其能夠具備高禁帶寬度、高熱導率、高擊穿場強、高電子飽和漂移速率等優(yōu)勢，從而能夠開發(fā)出更適應高溫、高功率、高壓、高頻以及抗輻射等惡劣條件的小型化功率半導體器件，可有效突破傳統(tǒng)硅基功率半導體器件及其材料的物理極限。

SiC與Si相比，在耐高壓、耐高溫、高頻等方面具備碾壓優(yōu)勢，是材料端革命性的突破。在耐高壓方面，SiC擊穿場強是Si的10倍，這意味著同樣電壓等級的SiC MOSFET晶圓的外延層厚度只需要Si的十分之一，對應的漂移區(qū)阻抗大大降低，且SiC禁帶寬度是Si的3倍，導電能力更強。在耐高溫方面，SiC熱導率及熔點非常高，是Si的2-3倍。在高頻方面，SiC電子飽和速度是Si的2-3倍，能夠實現(xiàn)10倍的工作頻率。
根據(jù)Rohm對SiC MOSFET在汽車應用中的進度預測，隨著技術成熟，SiC MOSFET將逐漸替代部分Si MOSFET。通過采用全SiC功率模塊制造的逆變器可以使開關損耗降低75％（芯片溫度為150°C），逆變器尺寸下降43%，重量輕6kg，最終汽車連續(xù)續(xù)航距離增加20-30%。

目前SiC市場滲透率相對較低，根據(jù)Cree對SiC器件的預測，18年全球SiC的器件銷售額4.2億美元，預計在2024年達到50億美元。特斯拉2018年將SiC用于Model 3后，超過90%電動車廠決定要用SiC，整個電動汽車產業(yè)鏈出現(xiàn)SiC缺貨。

從競爭格局上看，Cree、Rohm、ST都已形成了SiC襯底-外延-器件-模塊垂直供應的體系，而Infineon、Bosch、On Semi等廠商則購買SiC襯底，隨后自行進行外延生長并制作器件及模塊。目前SiC市場的供給牢牢把控在襯底廠商手里，Cree、II-VI及Si-Crystal（Rohm旗下）合計占據(jù)了90%的出貨量，而器件及模組的供應商中Cree、Rohm、Infineon及ST合計占據(jù)了超過70%的市場份額，但總體上由于市場目前還處于初期階段，滲透率較低，未來幾年的競爭格局還有較大不確定性。
目前我國SiC方面也有多個玩家加入，在材料端有多家公司進入賽道，例如天科合達和山東天岳；在外延方面有瀚天天成、東莞天域、三安集成、中電科等。三安是目前第三代半導體布局最全的龍頭企業(yè)，下游有多家整車廠商及功率器件廠商都加入到該賽道中。
整體上看SiC功率器件市場滲透率較低，增速較快，目前行業(yè)內企業(yè)還處于跑馬圈地階段，市場競爭格局存在不確定性，國內廠商有望在未來的增量市場中獲得一定份額。
國內外功率半導體代表公司
國內主要功率半導體公司
由于車規(guī)級半導體市場門檻高，在運行環(huán)境、器件穩(wěn)定性、可靠性和故障率等多方面均有嚴格要求，加之汽車半導體產品生命周期通常要求15年以上（即整車生命周期均能正常工作），供貨周期則可能長達30年，因此在汽車半導體行業(yè)，IDM模式是廠商主要發(fā)展模式。國內代表性上市公司有：斯達半導，比亞迪半導體，中車時代電氣，三安光電等。
比亞迪 比亞迪半導體公司是比亞迪子公司，是中國[敏感詞]的車規(guī)級IGBT廠商。公司主要業(yè)務覆蓋功率半導體、智能控制IC、智能傳感器及光電半導體的研發(fā)、生產及銷售，以IDM模式，擁有包含芯片設計、晶圓制造、封裝測試和下游應用在內的一體化經營全產業(yè)鏈。根據(jù)科創(chuàng)板日報消息，目前比亞迪車規(guī)級的IGBT已到5代，碳化硅MOSFET已到3代，自有SiC產線正在建設中。比亞迪旗艦車型漢EV四驅版是國內[敏感詞]批量搭載SiC MOSFET組件的車型，按照比亞迪公布的計劃，預計到2023年，其旗下電動車將實現(xiàn)碳化硅功率半導體全面替代，整車性能在現(xiàn)有基礎上再提升10％。
斯達半導 斯達半導自成立以來一直從事以IGBT為主的功率半導體芯片和模塊的設計研發(fā)和生產，并以IGBT模塊形式對外實現(xiàn)銷售。根據(jù)IHS Markit的數(shù)據(jù)，2018年公司在全球IGBT模塊市場排名第八，在國內企業(yè)中排名[敏感詞]。目前已實現(xiàn)自主設計并量產IGBT國際第六代芯片（FS-Trench），并掌握相應封裝工藝，打破了國外功率半導體巨頭長期實現(xiàn)IGBT芯片的壟斷。除了IGBT之外，公司產品同時還有MOSFET模塊、晶閘管、SiC功率器件等。日前，公司發(fā)布投資約2.29億元建設全碳化硅功率模組產業(yè)化項目公告，預計項目建設周期2年，建成后項目將有年產8萬顆車規(guī)級全碳化硅功率模組生產線和研發(fā)測試中心。
2019年公司營收實現(xiàn)7.79億元，同比增長15.41%，凈利潤實現(xiàn)1.36億元，同比增長40.74%。近五年公司營收和凈利潤復合增長率分別達32.6%和62.81%。2019年IGBT模塊的銷售收入占營業(yè)收入的97%，其中1200V IGBT模塊的銷售收入占營業(yè)收入的73%，是公司的主要產品。
其他電壓IGBT模塊收入占比24%。其他產品占比較小，包括MOSFET模塊、整流及快恢復二極管模塊等，占營業(yè)收入的3%。公司IGBT模塊產品豐富，種類齊全，覆蓋工業(yè)級、汽車級和家電領域的應用。目前，公司IGBT產品種類超過600種，電壓等級涵蓋100V～3300V，電流等級涵蓋10A～3600A。
中車時代電氣 中車時代半導體是中車時代電氣子公司，主要生產大功率晶閘管、IGCT、IGBT及SiC器件及其組件，以IDM模式，聚焦軌道交通、高壓輸配電和新能源市場，著眼于推進新能源汽車組件配套建設項目，包括電控、電機、IGBT、傳感器在內的系統(tǒng)集成。目前，公司功率器件產品要應用于軌道交通、新能源汽車、光伏逆變器等領域，IGBT已覆蓋750 V-6500 V，SiC器件已覆蓋650 V-1700 V，700V、3300V混合SiC牽引變流器以及3300V全SiC牽引變流器已規(guī)模應用。
三安光電 三安集成是三安光電子公司，三安集成電路涵蓋微波射頻、高功率電力電子、光通訊等領域的化合物半導體制造平臺，以IDM模式，具備襯底材料、外延生長、以及芯片制造能力。公司2020年以來銷售出貨大幅增長，實現(xiàn)銷售收入3.75億元，同比增長680.48%。
砷化鎵射頻出貨客戶累計將近100家、氮化鎵射頻產品重要客戶產能正逐步爬坡；電力電子產品客戶累計超過60家，27種產品已進入批量量產階段；光通訊業(yè)務除擴大現(xiàn)有中低速PD/MPD產品的市場領先份額外，高端產品10G APD/25G PD、VCSEL和DFB發(fā)射端產品均已在行業(yè)重要客戶處驗證通過，進入批量試產階段；濾波器產品開發(fā)性能優(yōu)越，產線持續(xù)擴充及備貨中。
目前，公司已經完成SIC MOSFET器件量產平臺的打造，1200V 80mΩ產品已完成研發(fā)并通過一系列產品性能和可靠性測試，可廣泛適用于光伏逆變器、開關電源、脈沖電源、高壓DC/DC、新能源充電和電機驅動等應用領域。
國外主要競爭對手
英飛凌(Infineon) 英飛凌科技公司于1999年在德國慕尼黑正式成立，是全球領先的半導體公之一。公司前身為西門子集團的半導體部門，于1999年獨立，2000年上市。公司作為國際半導體產業(yè)創(chuàng)新的領導者，為有線和無線通信、汽車及工業(yè)電子、內存、計算機安全以及芯片卡市場提供先進的半導體產品及完整的系統(tǒng)解決方案。截止2020年12月18日，英飛凌科技公司市值為405億美金，靜態(tài)估值為42倍。

作為功率半導體領導者，英飛凌是市場上[敏感詞]一家提供覆蓋硅、碳化硅和氮化鎵等材料的全系列功率產品的公司，擁有高性價比的第七代CoolMOS?、基于第三代寬禁帶半導體的高性能CoolSiC?與CoolGaN?、以及支持更高頻率應用的第六代OptiMOS?等豐富產品組合，從芯片技術層面提升電源效率。同時英飛凌也是IGBT技術領導者，根據(jù)IHS Markit[敏感詞]數(shù)據(jù)，英飛凌在全球IGBT市場市占率達34.5%。

公司在汽車半導體領域深耕多年，近20年公司汽車半導體收入逐年上升，復合增速約為10.1%。隨著2015年新能源汽車市場的增長，汽車半導體收入增幅及市場份額逐年擴大，目前公司已成為汽車半導體[敏感詞]的供應廠商。
2020年第三季度汽車事業(yè)部收入10億歐元，環(huán)比增加29.08%，同比增加17.81%。根據(jù)公司三季報說明，收入大幅增加主要源于電動車以及MCU銷量的增加。從收入構成上看，2020年公司功率半導體收入55%，其中約一半來自于新能源汽車和自動駕駛部分的需求。

從公司歷史估值情況看，2020年公司PE倍數(shù)持續(xù)走高，在2020年9月后市盈率大幅上升，究其原因主要是新能源車歐洲市場2020年的爆發(fā)。根據(jù)歐洲汽車制造商協(xié)會（ACEA）的統(tǒng)計，歐洲新能源車注冊量在2020年明顯增加，第三季度大幅增加至27萬輛左右，同比增加221.6%，環(huán)比增加111.69%。

根據(jù)英飛凌對未來新能源汽車市場預測，2023年全球新能源市場滲透率將超過23%，2027年將超過50%。未來公司重點布局SiC功率模組為基礎的升級版電動車平臺，同時SiC MOSFET業(yè)務借由IGBT的大量客戶優(yōu)勢將迅速增長，預計汽車半導體整體銷量有大幅增加。
三菱電機 三菱電機株式會社是三菱集團的核心企業(yè)之一，成立于1921年。根據(jù)三菱電機株式會社2019年年報，截至2019年3月31日，公司員工數(shù)量達145,817人。三菱電機在全球的電力設備、通信設備、工業(yè)自動化、電子元器件、家電等市場占據(jù)著重要的地位。三菱電機的半導體產品包括功率模塊（IGBT、IPM、MOSFET等）、微波/射頻和高頻光器件、光模塊和標準工業(yè)用的TFTLCD等。