/ EN
13922884048

技术交流

Technology Exchange
/
/

深度解析!汽车上的功率半导体(一)

发布时间:2022-03-18作者来源:萨科微浏览:986

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[敏感词](23%),而新能源汽车中功率半导体含量[敏感词](55%)。



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。



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。

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[敏感词]大汽车市场,近几年汽车销量稳定在2500万辆/年左右。



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[敏感词]。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。


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。



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。

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。



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。



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。



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[敏感词]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。




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。




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。
(下接深度解析!汽车上的功率半导体(二)



免责声明:本文转载自“EV芯闻”,本文仅代表作者个人观点,不代表萨科微及行业观点,只为转载与分享,支持保护知识产权,转载请注明原出处及作者,如有侵权请联系我们删除。


服务热线

0755-83044319

霍尔元件咨询

肖特基二极管咨询

TVS/ESD咨询

获取产品资料

客服微信

微信服务号