详解汽车上的功率半导体

2021-02-24 08:39:30 36


随着汽车电动化、智能化、网联化等发展,汽车电子迎来结构性变革大机会。在传统燃料汽车中,汽车电子主要分布于动力传动系统、车身、安全、娱乐等子系统中。按照功能划分,汽车半导体可大致分为功率半导体(IGBT和MOSFET等)、MCU、传感器及其他等元器件。


对于新能源汽车而言,汽车不再使用汽油发动机、油箱或变速器,“三电系统”即电池、电机、电控系统取而代之,新增DC-DC模块、电机控制系统、电池管理系统、高压电路等部件。相应地实现能量转换及传输的核心器件功率半导体含量大大增加。因此从半导体种类上看,传统燃料汽车中MCU含量最高(23%),而新能源汽车中功率半导体含量最高(55%)。

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新能源汽车市场概况


目前,我国2020年前三季度整体乘用车销量1337.6万辆,其中新能源车销量为65万辆,而假设每个月200万辆销量,占比不到5%。预计2020年新能源销量在120万辆左右,市场渗透率4.8%。2025年渗透率目标为20%,要实现该目标意味着接下来5年新能源汽车占比要提升15%,每年渗透率平均提升约3%,对应约75万辆的增量。

新能源汽车销售情况

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展望2021年,我国将成为拉升新能源车增量的主要地区:一方面,多项政策拉动车辆销售与充电站设立;另一方面,对外牌车施行严格限行措施的一线城市如上海,新能源车牌不在限行规范内等,在多方面的刺激下,新能源车的销售将回升至全球平均值之上。

多重因素驱动下,新能源汽车景气度高企

全球汽车市场规模超过3.5亿美元,年均销量9000万辆左右,汽车行业成为一个庞大的支柱性产业。2009年中国汽车销量首次超越美国,至今已连续11年稳居全球第一大汽车市场,近几年汽车销量稳定在2500万辆/年左右。
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2010年新能源汽车被国务院确定为七大战略性新兴产业之一,行业于2014年后开始进入高速增长通道,从2015年开始国内新能源车销量稳居全球第一。2019年中国新能源汽车销量共计120.6万辆,占全球221万辆的一半以上。

2020年11月,国务院办公厅印发了《新能源汽车产业发展规划(2021-2035)》(以下简称《规划》),提出到2025年,新能源汽车新车销量将达到汽车总销量的20%,预计500-600万辆。未来5年中国的新能源汽车行业将迎来近40%的复合增速,显示行业超高的景气度。
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多角度因素考虑,新能源汽车优势明显

在成本、效率和环保的驱动下,新能源汽车注定成为未来汽车的主流形态:

从成本角度看,目前国家补贴和地方政府补贴相对较高,同时新能源汽车能耗费用以及保养费用较低,从车辆的全生命周期角度看,新能源汽车的全生命周期成本低于燃油汽车。

从技术角度看,在汽车智能化大趋势下,电动汽车在承接自动驾驶性能方面更具优势。和燃油车相比,电动车整体结构更加简化,计算机和其他电子设备更易与汽车控制器接口衔接,与智能网联汽车相结合更具能耗优势。

从环保角度看,欧美继续推行严格的排放标准,美国加州政府要求2035年起,加州销售的每辆新车必须实现零排放。我国新能源汽车产业发展规划中提出到2025年,新能源汽车新车销售量达到汽车新车销售总量的20%左右。
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汽车电动化推动功率半导体量价齐升

汽车电子拉动半导体整体需求

从传统燃料汽车到新能源汽车,半导体在汽车领域的占比逐年增加,汽车含硅量大大提升。2019年全球半导体行业市场规模为4121亿美元,其中汽车行业贡献12.3%的营收。2010-2019年汽车成为半导体行业需求增长最快的行业,年复合增速高达9.2%,远高于半导体行业整体3.7%的增速水平。





汽车电动化,半导体价值倍增

从单车半导体价值量看,混动汽车和纯电动车半导体价值分别为735美元和750美元,相比传统燃油汽车450美元大大增加。

在传统燃油汽车中,功率半导体主要用在启动、停止和行车安全等领域。按照传统汽车中半导体价值450美元,功率器件为50美元,占比10%左右。由于新能源汽车电池动力模块都需要功率半导体,混合动力汽车的功率器件占比增至40%,纯电动汽车的功率器件占比增至55%。按照纯电动汽车半导体单车价值750美元计算,功率半导体单车价值量约为455美元,相比传统汽车新能源车队功率半导体需求提升接近9倍。
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新能源汽车半导体主赛道:功率半导体

相较于燃油汽车,电动车新增功率器件的需求主要有三个方面:逆变器中的IGBT模块;OBC、DC/DC中的高压MOSFET;辅助电器中的IGBT分立器件。功率半导体是新能源汽车价值量提升最多的部分,需求端主要为IGBT、MOSFET及多个IGBT集成的IPM模块等产品,核心用于大电流和大电压的环境。
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根据英飞凌介绍,从器件对应功率看,当功率从100kW增加到200kW以上,对应的器件从IGBT到SiC MOSFET过渡。根据应用场景不同,具体对应不同的功率器件。


新能源汽车功率半导体市场空间测算

根据全球新能源乘用车销售量预计2025年约2100万辆推算,按微混(525元)、插电混动(2100元)和纯电(3185元)三类车型功率器件成本估算,2025年全球新能源汽车功率半导体市场空间约370亿元。

按照我国新能源汽车产量有望在2025年实现600万辆左右估算,考虑功率半导体价格涨幅,按纯电动车EV功率器件800-3500元/辆,插电混动车PHEV(燃油动力系统上外挂电动系统)功率器件均为2100元/辆,预计国内新能源车功率器件市场空间2025年将增至160亿元。
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细分赛道一:IGBT,汽车动力系统的“CPU”

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)即绝缘栅双极型晶体管,是国际上公认的电力电子技术第三次革命最具代表性的产品。IGBT是工业控制及自动化领域的核心元器件,其作用类似于人类的心脏,能够根据工业装置中的信号指令来调节电路中的电压、电流、频率、相位等,以实现精准调控的目的。保障电子产品、电力设备正常运行,同时降低电压损耗,使设备节能高效。

IGBT是由MOSFET和BJT组成的复合功率半导体器件,既具备MOSFET输入阻抗高、控制功率小、驱动电路简单、开关速度快的优势,也具备BJT通态电流大、通电压低、损耗小等优点。其在高压、高速、大电流等方面相比其他功率半导体器件具备明显优势,是未来功率半导体应用的主要发展方向。
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从上世纪80年代至今,IGBT经历了数代更新发展,从平面穿通型(PT)到沟槽型电场—截止型(FS-Trench),芯片面积、工艺线宽、通态饱和压降、关断时间、功率损耗等各项指标经历了不断的优化,断态电压也从600V提高到6500V以上。IGBT技术不断更新是提高耐压水平和减小损耗以达到下游领域的需求。采用新架构的IGBT通过降低关断时间和通态压降来减少功率损耗,提高断态电压水平,同时新工艺使得面积更小,工作温度更高,成本更低。
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IGBT未来发展趋势主要薄片工艺,目的在于减小衬底电阻和较少热阻而达到进一步减少损耗。在管芯上主要增加器件面积,提高电流密度。同时为了进一步降低制造成本,硅片也从一开始的5英寸到现在主流的8英寸和12英寸,折算后每颗芯颗成本可进一步降低。


技术方面。在新能源汽车中IGBT应用范围一般在电压600V以上,电流10A以上或频率1KHz以上的区域,主要对应高电压环境的电力驱动系统,电机控制系统及车载充电器,单车IGBT价值约400美元左右。

电力驱动系统主要用在逆变器DC-AC中,将充电电池12V的直流电转换成为驱动电机220V的交流电驱动电机工作。电机控制系统上需要用到几十个IGBT,从电池输出高电压后,需通过DC-DC变化为低电压后供汽车低压网络使用,例如特斯拉的三相交流异步电机,每相用28个IGBT累计84个,其他电机12个IGBT,特斯拉总共用到96个IGBT。

电控系统是电动车价值量第二大单个部件,单个电动车中电控采购成本约为3000-5000元,其中IGBT在电控成本中占比高达41%,是电控核心部件,其功能主要是完成车载充电器上电流变化。除此之外,IGBT亦用于空调系统,PCT加热器等小功率逆变部分。


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IGBT市场规模空间较大,全球IGBT市场2018年规模约为62.24亿美元,预计2025年达到95亿美元。我国IGBT市场规模2019年达155亿元,根据Trendforce预测,受益于新能源汽车和工业领域的需求大幅增加,中国IGBT市场规模将持续增长,预计到2025年中国IGBT市场规模将达到526亿元(75亿美金),年复合增长率达19.11%。

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竞争格局。目前IGBT芯片基本都被外资垄断,我国IGBT高度依赖进口。根据英飞凌对2018年全球市场格局的统计,模组端斯达半导作为唯一国产公司跻身前十位,市场占比2.2%。从汽车功率半导体公司上看,前5大企业主要为英飞凌、STM等外资企业,市占率达到63%,整体市场还是被海外垄断。

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除斯达半导外,中车时代电气及比亚迪为国内IGBT自主研发领军企业。根据2019年国内车规级IGBT市场统计,前10名供应商中三家中国企业(比亚迪、斯达半导、中车时代电气)的市场份额合计仅20.4%,国产化程度低。相对全球整体市场,国内市场生态相对宽松,国产品牌获得相对更高的市场份额。
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整体上看IGBT市场空间大,且目前国产化程度低,车规级IGBT国产化替代空间大。目前国产龙头已进入头部市场,且技术发展较快,在政策和资本大力支持下,国内厂商有望打开市场缺口占领部分市场份额。

细分赛道二:第三代半导体SiC等器件崭露头角

硅是半导体行业第一代基础材料,目前全球95%以上的集成电路元器件是以硅为衬底制造的。半导体材料经过几十年的发展,可以分为三代:
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第一代半导体材料:锗、硅等单晶半导体材料,硅拥有1.1eV的禁带宽度以及氧化后非常稳定的特性。

第二代半导体材料:砷化镓、锑化铟等化合物半导体材料,砷化镓拥有1.4电子伏特的禁带宽度以及比硅高五倍的电子迁移率。

第三代半导体材料:以碳化硅、氮化镓为代表的宽禁带半导体材料,有更高饱和漂移速度和更高的临界击穿电压等突出优点,适合大功率、高温、高频、抗辐照应用场合。

半导材料发展至今,第一代硅材料半导体已经接近完美晶体。基于硅材料上器件的设计和开发也经过了许多代的结构和工艺优化和更新,正在逐渐接近硅材料的极限,基于硅材料的器件性能提高的潜力愈来愈小。以氮化镓、碳化硅为代表的第三代半导体具备优异的材料物理特性,为进一步提升电力电子器件的性能提供了更大的空间。
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第三代半导体由于在物理结构上具有能级禁带宽的特点,又称为宽禁带半导体,主要是以氮化镓和碳化硅为代表,其在半导体性能特征上与第一代的硅、第二代的砷化镓有所区别,使得其能够具备高禁带宽度、高热导率、高击穿场强、高电子饱和漂移速率等优势,从而能够开发出更适应高温、高功率、高压、高频以及抗辐射等恶劣条件的小型化功率半导体器件,可有效突破传统硅基功率半导体器件及其材料的物理极限。
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SiC与Si相比,在耐高压、耐高温、高频等方面具备碾压优势,是材料端革命性的突破。在耐高压方面,SiC击穿场强是Si的10倍,这意味着同样电压等级的SiC MOSFET晶圆的外延层厚度只需要Si的十分之一,对应的漂移区阻抗大大降低,且SiC禁带宽度是Si的3倍,导电能力更强。在耐高温方面,SiC热导率及熔点非常高,是Si的2-3倍。在高频方面,SiC电子饱和速度是Si的2-3倍,能够实现10倍的工作频率。

根据Rohm对SiC MOSFET在汽车应用中的进度预测,随着技术成熟,SiC MOSFET将逐渐替代部分Si MOSFET。通过采用全SiC功率模块制造的逆变器可以使开关损耗降低75%(芯片温度为150°C),逆变器尺寸下降43%,重量轻6kg,最终汽车连续续航距离增加20-30%。
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目前SiC市场渗透率相对较低,根据Cree对SiC器件的预测,18年全球SiC的器件销售额4.2亿美元,预计在2024年达到50亿美元。特斯拉2018年将SiC用于Model 3后,超过90%电动车厂决定要用SiC,整个电动汽车产业链出现SiC缺货。
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从竞争格局上看,Cree、Rohm、ST都已形成了SiC衬底-外延-器件-模块垂直供应的体系,而Infineon、Bosch、On Semi等厂商则购买SiC衬底,随后自行进行外延生长并制作器件及模块。目前SiC市场的供给牢牢把控在衬底厂商手里,Cree、II-VI及Si-Crystal(Rohm旗下)合计占据了90%的出货量,而器件及模组的供应商中Cree、Rohm、Infineon及ST合计占据了超过70%的市场份额,但总体上由于市场目前还处于初期阶段,渗透率较低,未来几年的竞争格局还有较大不确定性。

目前我国SiC方面也有多个玩家加入,在材料端有多家公司进入赛道,例如天科合达和山东天岳;在外延方面有瀚天天成、东莞天域、三安集成、中电科等。三安是目前第三代半导体布局最全的龙头企业,下游有多家整车厂商及功率器件厂商都加入到该赛道中。

整体上看SiC功率器件市场渗透率较低,增速较快,目前行业内企业还处于跑马圈地阶段,市场竞争格局存在不确定性,国内厂商有望在未来的增量市场中获得一定份额。

国内外功率半导体代表公司

国内主要功率半导体公司

由于车规级半导体市场门槛高,在运行环境、器件稳定性、可靠性和故障率等多方面均有严格要求,加之汽车半导体产品生命周期通常要求15年以上(即整车生命周期均能正常工作),供货周期则可能长达30年,因此在汽车半导体行业,IDM模式是厂商主要发展模式。国内代表性上市公司有:斯达半导,比亚迪半导体,中车时代电气,三安光电等。

比亚迪
比亚迪半导体公司是比亚迪子公司,是中国最大的车规级IGBT厂商。公司主要业务覆盖功率半导体、智能控制IC、智能传感器及光电半导体的研发、生产及销售,以IDM模式,拥有包含芯片设计、晶圆制造、封装测试和下游应用在内的一体化经营全产业链。根据科创板日报消息,目前比亚迪车规级的IGBT已到5代,碳化硅MOSFET已到3代,自有SiC产线正在建设中。比亚迪旗舰车型汉EV四驱版是国内首款批量搭载SiC MOSFET组件的车型,按照比亚迪公布的计划,预计到2023年,其旗下电动车将实现碳化硅功率半导体全面替代,整车性能在现有基础上再提升10%。

斯达半导
斯达半导自成立以来一直从事以IGBT为主的功率半导体芯片和模块的设计研发和生产,并以IGBT模块形式对外实现销售。根据IHS Markit的数据,2018年公司在全球IGBT模块市场排名第八,在国内企业中排名第一。目前已实现自主设计并量产IGBT国际第六代芯片(FS-Trench),并掌握相应封装工艺,打破了国外功率半导体巨头长期实现IGBT芯片的垄断。除了IGBT之外,公司产品同时还有MOSFET模块、晶闸管、SiC功率器件等。日前,公司发布投资约2.29亿元建设全碳化硅功率模组产业化项目公告,预计项目建设周期2年,建成后项目将有年产8万颗车规级全碳化硅功率模组生产线和研发测试中心。

2019年公司营收实现7.79亿元,同比增长15.41%,净利润实现1.36亿元,同比增长40.74%。近五年公司营收和净利润复合增长率分别达32.6%和62.81%。2019年IGBT模块的销售收入占营业收入的97%,其中1200V IGBT模块的销售收入占营业收入的73%,是公司的主要产品。

其他电压IGBT模块收入占比24%。其他产品占比较小,包括MOSFET模块、整流及快恢复二极管模块等,占营业收入的3%。公司IGBT模块产品丰富,种类齐全,覆盖工业级、汽车级和家电领域的应用。目前,公司IGBT产品种类超过600种,电压等级涵盖100V~3300V,电流等级涵盖10A~3600A。

中车时代电气
中车时代半导体是中车时代电气子公司,主要生产大功率晶闸管、IGCT、IGBT及SiC器件及其组件,以IDM模式,聚焦轨道交通、高压输配电和新能源市场,着眼于推进新能源汽车组件配套建设项目,包括电控、电机、IGBT、传感器在内的系统集成。目前,公司功率器件产品要应用于轨道交通、新能源汽车、光伏逆变器等领域,IGBT已覆盖750 V-6500 V,SiC器件已覆盖650 V-1700 V,700V、3300V混合SiC牵引变流器以及3300V全SiC牵引变流器已规模应用。

三安光电
三安集成是三安光电子公司,三安集成电路涵盖微波射频、高功率电力电子、光通讯等领域的化合物半导体制造平台,以IDM模式,具备衬底材料、外延生长、以及芯片制造能力。公司2020年以来销售出货大幅增长,实现销售收入3.75亿元,同比增长680.48%。

砷化镓射频出货客户累计将近100家、氮化镓射频产品重要客户产能正逐步爬坡;电力电子产品客户累计超过60家,27种产品已进入批量量产阶段;光通讯业务除扩大现有中低速PD/MPD产品的市场领先份额外,高端产品10G  APD/25G PD、VCSEL和DFB发射端产品均已在行业重要客户处验证通过,进入批量试产阶段;滤波器产品开发性能优越,产线持续扩充及备货中。

目前,公司已经完成SIC MOSFET器件量产平台的打造,1200V 80mΩ产品已完成研发并通过一系列产品性能和可靠性测试,可广泛适用于光伏逆变器、开关电源、脉冲电源、高压DC/DC、新能源充电和电机驱动等应用领域。

国外主要竞争对手

英飞凌(Infineon)
英飞凌科技公司于1999年在德国慕尼黑正式成立,是全球领先的半导体公之一。公司前身为西门子集团的半导体部门,于1999年独立,2000年上市。公司作为国际半导体产业创新的领导者,为有线和无线通信、汽车及工业电子、内存、计算机安全以及芯片卡市场提供先进的半导体产品及完整的系统解决方案。截止2020年12月18日,英飞凌科技公司市值为405亿美金,静态估值为42倍。
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作为功率半导体领导者,英飞凌是市场上唯一一家提供覆盖硅、碳化硅和氮化镓等材料的全系列功率产品的公司,拥有高性价比的第七代CoolMOS™、基于第三代宽禁带半导体的高性能CoolSiC™与CoolGaN™、以及支持更高频率应用的第六代OptiMOS™等丰富产品组合,从芯片技术层面提升电源效率。同时英飞凌也是IGBT技术领导者,根据IHS Markit最新数据,英飞凌在全球IGBT市场市占率达34.5%。
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公司在汽车半导体领域深耕多年,近20年公司汽车半导体收入逐年上升,复合增速约为10.1%。随着2015年新能源汽车市场的增长,汽车半导体收入增幅及市场份额逐年扩大,目前公司已成为汽车半导体最大的供应厂商。

2020年第三季度汽车事业部收入10亿欧元,环比增加29.08%,同比增加17.81%。根据公司三季报说明,收入大幅增加主要源于电动车以及MCU销量的增加。从收入构成上看,2020年公司功率半导体收入55%,其中约一半来自于新能源汽车和自动驾驶部分的需求。
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从公司历史估值情况看,2020年公司PE倍数持续走高,在2020年9月后市盈率大幅上升,究其原因主要是新能源车欧洲市场2020年的爆发。根据欧洲汽车制造商协会(ACEA)的统计,欧洲新能源车注册量在2020年明显增加,第三季度大幅增加至27万辆左右,同比增加221.6%,环比增加111.69%。
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根据英飞凌对未来新能源汽车市场预测,2023年全球新能源市场渗透率将超过23%,2027年将超过50%。未来公司重点布局SiC功率模组为基础的升级版电动车平台,同时SiC MOSFET业务借由IGBT的大量客户优势将迅速增长,预计汽车半导体整体销量有大幅增加。

三菱电机
三菱电机株式会社是三菱集团的核心企业之一,成立于1921年。根据三菱电机株式会社2019年年报,截至2019年3月31日,公司员工数量达145,817人。三菱电机在全球的电力设备、通信设备、工业自动化、电子元器件、家电等市场占据着重要的地位。三菱电机的半导体产品包括功率模块(IGBT、IPM、MOSFET等)、微波/射频和高频光器件、光模块和标准工业用的TFTLCD等。
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作为全球领先的IGBT企业,三菱电机在中等电压、高电压IGBT领域处于领先地位。根据IHSMarkit 2018年报告,2017年全球市场占有率为17.90%,仅次于英飞凌。
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