新能源汽车带来的功率半导体应用变化-芯诺微电子

浏览：作者：来源：时间：2023-03-29 分类：行业动态

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新能源汽车带来的功率半导体应用变化-芯诺微电子

随着信息技术和汽车的不断变革，汽车内部结构变化带来了电子零部件价值量增加。其带来的不仅仅是电机、电控及电池领域的增长，从内部零部件角度来说，汽车半导体升级空间广阔。

汽车中用量最多的半导体器件主要是三大类：传感器，

和功率半导体。

这三类中，MCU的市场份额最大，其次是功率半导体，功率半导体主要运用在动力控制系统、照明系统、燃油喷射、底盘安全等系统当中。

新能源汽车新增半导体用量中大部分是功率半导体。在传统汽车中，功率半导体主要应用在启动与发电、安全等领域，占传统汽车半导体总量的20%，单车价值约为60美元。

▼功率半导体在汽车中的应用

根据麦肯锡的统计，纯电动汽车的半导体成本为704美元，比传统汽车的350美元增加了1倍，其中功率器件成本高达387美元，占55%。纯电动汽车相比传统汽车新增的半导体成本中，功率器件成本约为269美元，占新增成本的76%。

功率半导体器件是实现电能转换的核心器件

新能源电动汽车将不再需要汽油发动机，油箱或变速器。决定电动汽车性能的关键部件是电动机，PCU以及其他核心电气部件。电源模块包含车载充电器、变频器、转换器等电力设备，而这些设备中全都包含功率半导体。

逆变器

电动汽车配备有大容量可充电电池，其利用储存的能量来驱动电动机并为汽车供电。可充电电池不能直接连接到电机，它们通常通过电机逆变器连接，简称为逆变器。逆变器通常将DC12V的直流电转换为和市电相同的AC220V交流电。

▼电动车中的逆变器

资料来源：电子元件技术网，天风证券研究所

车载充电器

交流充电桩提供的是交流电（AC100V-240V），而高压锂离子电池（LIB）需要用直流（DC）充电，因此充电器必须要有直流转换器。车载充电器电压范围一般在85V-265V，这样使得车辆可以在世界任何地方充电。

在车载充电器中有大量的功率三极管作为功率开关器件使用。功率三极管包括了双极型管，MOS管以及IGBT。

▼充电器在电动车中工作

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资料来源：电子元件技术网，天风证券研究所

新能源汽车带来的功率半导体质的变化

不同新能源汽车电力系统的主要作用不同，中微混汽车的电力系统主要在空挡滑行时提供电动助力，而全混或者纯电动汽车的电力系统主要功能则是提供电力驱动。一方面，由于电力系统的主要功能不同，不同新能源汽车电力系统的运行电压功率的范围差异巨大。中混汽车的电压一般在150V以下，而全混合纯电动汽车的电压超过400V甚至更高。另一方面，不同功率半导体的工作电压不同，IGBT适合高压工作，而MOSFET适合低压工作。在电力驱动系统中，IGBT用于逆变器模块，该模块将蓄电池的直流电转换交流电驱动电机。在电源系统中，IGBT用于各种交流/直流与直流/直流变换器中，实现为蓄电池充电与完成所需电压等级的电源变换等功能。同时，新能源汽车充电桩中也需要大量使用IGBT。因此，新能源汽车导致了汽车功率半导体种中IGBT/MOSFET的使用量越来越大，种类也越来越多。

▼不同新能源汽车运行电压功率分布

资料来源：MUMSS，天风证券研究所

▼IGBT和MOSFET的工作特性

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资料来源：EEWorld，天风证券研究所

▼英飞凌全电压范围应用的新能源汽车功率器件

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资料来源：EEPW网站，天风证券研究所

IGBT——硅基功率半导体核心

IGBT模块在电动汽车中发挥着至关重要的作用，是电动汽车及充电桩等设备的核心部件。有统计显示，IGBT模块占电动汽车成本将近10%，占充电桩成本约20%。

IGBT广泛运用于汽车电机控制系统，目前，汽车电机控制系统需要用到数十个IGBT。以特斯拉为例，特斯拉后三相交流异步电机每相要用到28个IGBT，总计要用84个IGBT，加上电机其他部位的IGBT，特斯拉共计使用了96个IGBT（双电机还要加前电机的36个）。按照4~5美元/个的价格计算，双电机IGBT价值大概在650美元左右。

IGBT(InsulatedGateBipolarTransistor)，又称为绝缘栅双极型晶体管，兼有传统的金属氧化物场效晶体管（MOSFET）与半导体三极管（BJT）的优点，输入阻抗高，电流承载能力较强。而广泛应用于高压变流系统，如交流电机、电力传输、照明电路、牵引传动等等。

第五、六代部件是在IGBT经历了多次技术革新后出现的先进产品，各项综合指标提升十分明显，尤其是第六代IGBT硅片用薄化晶片工艺将非穿通结构改为穿通型，承受工作电压水平直接提高到6500V，在性能上出现了极大飞跃（实际产品中，第六代优值系数可高于第五代30%）。IGBT器件在工作频率在中压、中电流的功率半导体器件的应用范围内占据了主导地位，输出功率可达到兆瓦级。

近年来电动汽车产业的快速发展为电机控制器、辅助电源（DC/AC、DC/DC、充电机）等关键零部件行业提供了强大的市场需求，同时下游产业链中核心器件——IGBT也迎来了良好的发展机遇。

在结构方面，IGBT比MOSFET多一层P+区，通过P层空穴的注入能够降低器件的导通电阻。随着电压的增大，MOSFET的导通电阻也变大，因而其传导损耗比较大，尤其是在高压应用场合中。相较而言，IGBT的导通电阻较小。

▼(a) MOSFET结构图； (b) IGBT结构图

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资料来源：ElectronicDesign，天风证券研究所

在车载零部件中，电机控制器将储能系统的直流电逆变为三相交流电，并根据车辆需求控制驱动电机，为新能源汽车提供基本驱动力；同时在车辆制动时将动能转换为电能至储能系统，是主要的能量转换器件。其不仅负荷较重、控制精度要求高，而且还要兼顾电动汽车的电压等级、功率等级、极限环境、功率密度、使用寿命、控制成本等要求。针对电动汽车运行情况的需求，电动汽车的IGBT芯片正朝着小型化、抗震动、低损耗、耐高温、更高安全性以及智能化方向发展。

国外先进企业如英飞凌、富士、三菱等均开发了新一代电动汽车IGBT芯片，目前IGBT产品汽车市场国产占有率仍然较低。株洲中车时代电气已开发1700V~6500V系列IGBT产品，并在轨道交通、智能电网等领域实现商用，在此基础上开发了T5代适合电动汽车应用的750V/200A、1200V/200A以及750V/300A规格双面可焊的高性能IGBT芯片，目前处于国内领先水平。华虹宏力基于6英寸和8英寸的平面型和沟槽型1700V、2500V和3300V的IGBT芯片已进入量产。

国内IGBT的主要市场份额均被美、日、欧洲等海外企业所垄断，总部位于浙江嘉兴的斯达半导体（starpower）是我国目前国内最大的IGBT模块生产厂家，2016年斯达半导体在IGBT模块领域的全球市场占有率为2.5%，排全球第9位。

▼2016年全球IGBT半导体市场份额（%）

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资料来源：IHS，天风证券研究所

功率半导体市场基本被海外垄断，国内企业替代空间广阔

虽然功率半导体产业极具重要性，且规模庞大，但是主要供应商集中在美国、日本和欧洲。美国是电力电子器件的发源地，在全球电力电子器件市场中占有重要地位，主要器件企业有ONSemi等。从上世纪90年代开始，日本成为国际上电力电子器件产业的发达地区，主要器件企业有东芝、富士和三菱等。欧洲也是全球电力电子器件产业的发达地区，主要企业有英飞凌、ABB、Semikron等。美国汽车制造商通常从日本汽车零部件供应商处采购。通用汽车由日立AMS和TDK供应零部件，而福特汽车则从东芝采购传动相关零部件。就混合动力汽车而言，日本汽车制造商水平要高于美国，美国企业的策略是短期从日本供应商采购部件，同时在内部开发自己的部件，以逐步进行生产替代，这对国内汽车企业零部件国产替代化起到了良好示范作用。

▼功率半导体市场主要参与厂家

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资料来源：各公司网站，天风证券研究所

在日本的汽车制造商中，丰田汽车的所有这些零部件的内部生产比例都很高。本田汽车的传动系统相关的部件内部生产比例很高，从外部采购电池和转换器相关部件。日产汽车内部优先生产电机和逆变器，从日本国内供应商处采购其他部件。三菱汽车和马自达汽车的核心部件主要从外部采购获得。

在欧洲的汽车制造商中，大众汽车的外部零件采购比例较高，主要供应商为采埃孚（ZF）和博世（Bosch）。TDK在为欧洲汽车制造商提供转换器方面有着悠久的历史，日本松下也有为其提供锂离子电池的市场份额。日立AMS向美国和欧洲的汽车制造商提供电机和逆变器。

作为混合动力汽车、插电式混合动力汽车和电动汽车的核心，驱动电机由丰田汽车，本田汽车和日产汽车等日本主要汽车制造商内部生产，而马自达和富士重工从丰田汽车生产汽车。这些电子制造商也有供应日本国外汽车制造商的记录：日立AMS供应通用汽车，东芝供应福特汽车，日本电产供应戴姆勒。

日立和三菱电机作为一家重型电机制造商拥有悠久的电机生产历史，并且在这一领域拥有出色的技术，但当前电机发展市场扩张速度较为谨慎。

逆变器和变频器有助于控制整个车辆的电压。它们被称为功率控制单元（PCU）。丰田汽车为其核心车型生产自己的PCU，对于普锐斯而言，要么是公司自己生产IGBT、基板、机箱、DC-DC转换器，要么就由丰田代工。本田汽车为其混合动力汽车，插入式混合动力汽车和电动汽车的智能功率单元（IPU）组装PCU，镍氢电池，锂离子电池组和电池平衡ECU。

本田飞度的IPU包含外部采购的零件，如三菱电机的逆变器和TDK的DC-DC转换器。本田汽车与三菱电机有很紧密的业务关系。逆变器是PCU和IPU中最重要的部分，由IGBT和其他功率器件组成。丰田、普锐斯使用由富士电机制造的逆变器。本田Insight系列采用三菱电机的逆变器，三菱iMiEV系列采用日立生产的逆变器。

在DC-DC转换器中，丰田工业和电装供应丰田汽车。电装和松下为日产汽车供应DC-DC转换器。TDK，ShindengenElectric，丰田工业和电装供应本田汽车。在电子产品制造商中，尼吉康为马自达和三菱汽车提供DC-DC转换器。除了供应本田汽车和其他日本汽车制造商之外，TDK似乎也有供应通用汽车、福特汽车和大众汽车的记录。混合动力汽车，插电式混合动力汽车和电动汽车用电池是由汽车制造商和电池制造商之间形成的多家合资企业采购的，旨在磨练其发展的竞争优势。

中国功率半导体市场在中高端MOSFET及IGBT主流器件市场上，主要份额依赖进口，基本被国外欧美、日本企业垄断，国内企业替代空间非常广阔。

▼2016-2022年全球功率半导体市场规模/亿美元