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深度解析!汽车上的功率半导体(二)

发布时间:2022-03-18作者来源:萨科微浏览:2004


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。




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%。



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[敏感词]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。



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。


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[敏感词]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:



[敏感词]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,[敏感词]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。



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[敏感词]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。


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%。



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。



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企业


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[敏感词]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[敏感词]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[敏感词]。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。



作为功率半导体领导者,英飞凌是市场上[敏感词]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[敏感词]数据,英飞凌在全球IGBT市场市占率达34.5%。



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[敏感词]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。



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%。




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。



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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