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新能源汽車帶來的功率半導體應用變化

隨著信息技術和汽車的不斷變革,汽車內部結構變化帶來了電子零部件價值量增加。其帶來的不僅僅是電機、電控及電池領域的增長,從內部零部件角度來說,汽車半導體升級空間廣闊。

汽車中用量最多的半導體器件主要是三大類:傳感器,MCU和功率半導體。
這三類中,MCU的市場份額最大,其次是功率半導體,功率半導體主要運用在動力控制系統、照明系統、燃油噴射、底盤安全等系統當中。
新能源汽車新增半導體用量中大部分是功率半導體。在傳統汽車中,功率半導體主要應用在啟動與發電、安全等領域,占傳統汽車半導體總量的20%,單車價值約為60美元。
▼功率半導體在汽車中的應用


根據麥肯錫的統計,純電動汽車的半導體成本為704美元,比傳統汽車的350美元增加了1倍,其中功率器件成本高達387美元,占55%。純電動汽車相比傳統汽車新增的半導體成本中,功率器件成本約為269美元,占新增成本的76%。
功率半導體器件是實現電能轉換的核心器件
新能源電動汽車將不再需要汽油發動機,油箱或變速器。決定電動汽車性能的關鍵部件是電動機,PCU以及其他核心電氣部件。電源模塊包含車載充電器、變頻器、轉換器等電力設備,而這些設備中全都包含功率半導體。


  • 逆變器

電動汽車配備有大容量可充電電池,其利用儲存的能量來驅動電動機并為汽車供電??沙潆婋姵夭荒苤苯舆B接到電機,它們通常通過電機逆變器連接,簡稱為逆變器。逆變器通常將DC12V的直流電轉換為和市電相同的AC220V交流電。
▼電動車中的逆變器

資料來源:電子元件技術網,天風證券研究所


  • 車載充電器

交流充電樁提供的是交流電(AC100V-240V),而高壓鋰離子電池(LIB)需要用直流(DC)充電,因此充電器必須要有直流轉換器。車載充電器電壓范圍一般在85V-265V,這樣使得車輛可以在世界任何地方充電。
在車載充電器中有大量的功率三極管作為功率開關器件使用。功率三極管包括了雙極型管,MOS管以及IGBT。
▼充電器在電動車中工作

資料來源:電子元件技術網,天風證券研究所
新能源汽車帶來的功率半導體質的變化
不同新能源汽車電力系統的主要作用不同,中微混汽車的電力系統主要在空擋滑行時提供電動助力,而全混或者純電動汽車的電力系統主要功能則是提供電力驅動。一方面,由于電力系統的主要功能不同,不同新能源汽車電力系統的運行電壓功率的范圍差異巨大。中混汽車的電壓一般在150V以下,而全混合純電動汽車的電壓超過400V甚至更高。另一方面,不同功率半導體的工作電壓不同,IGBT適合高壓工作,而MOSFET適合低壓工作。在電力驅動系統中,IGBT用于逆變器模塊,該模塊將蓄電池的直流電轉換交流電驅動電機。在電源系統中,IGBT用于各種交流/直流與直流/直流變換器中,實現為蓄電池充電與完成所需電壓等級的電源變換等功能。同時,新能源汽車充電樁中也需要大量使用IGBT。因此,新能源汽車導致了汽車功率半導體種中IGBT/MOSFET的使用量越來越大,種類也越來越多。
▼不同新能源汽車運行電壓功率分布

資料來源:MUMSS,天風證券研究所
▼IGBT和MOSFET的工作特性

資料來源:EEWorld,天風證券研究所
▼英飛凌全電壓范圍應用的新能源汽車功率器件

資料來源:EEPW網站,天風證券研究所
IGBT——硅基功率半導體核心
IGBT模塊在電動汽車中發揮著至關重要的作用,是電動汽車及充電樁等設備的核心部件。有統計顯示,IGBT模塊占電動汽車成本將近10%,占充電樁成本約20%。
IGBT廣泛運用于汽車電機控制系統,目前,汽車電機控制系統需要用到數十個IGBT。以特斯拉為例,特斯拉后三相交流異步電機每相要用到28個IGBT,總計要用84個IGBT,加上電機其他部位的IGBT,特斯拉共計使用了96個IGBT(雙電機還要加前電機的36個)。按照4~5美元/個的價格計算,雙電機IGBT價值大概在650美元左右。
IGBT(InsulatedGateBipolarTransistor),又稱為絕緣柵雙極型晶體管,兼有傳統的金屬氧化物場效晶體管(MOSFET)與半導體三極管(BJT)的優點,輸入阻抗高,電流承載能力較強。而廣泛應用于高壓變流系統,如交流電機、電力傳輸、照明電路、牽引傳動等等。
第五、六代部件是在IGBT經歷了多次技術革新后出現的先進產品,各項綜合指標提升十分明顯,尤其是第六代IGBT硅片用薄化晶片工藝將非穿通結構改為穿通型,承受工作電壓水平直接提高到6500V,在性能上出現了極大飛躍(實際產品中,第六代優值系數可高于第五代30%)。IGBT器件在工作頻率在中壓、中電流的功率半導體器件的應用范圍內占據了主導地位,輸出功率可達到兆瓦級。
近年來電動汽車產業的快速發展為電機控制器、輔助電源(DC/AC、DC/DC、充電機)等關鍵零部件行業提供了強大的市場需求,同時下游產業鏈中核心器件——IGBT也迎來了良好的發展機遇。
在結構方面,IGBT比MOSFET多一層P+區,通過P層空穴的注入能夠降低器件的導通電阻。隨著電壓的增大,MOSFET的導通電阻也變大,因而其傳導損耗比較大,尤其是在高壓應用場合中。相較而言,IGBT的導通電阻較小。
▼(a) MOSFET結構圖;  (b) IGBT結構圖

資料來源:ElectronicDesign,天風證券研究所
在車載零部件中,電機控制器將儲能系統的直流電逆變為三相交流電,并根據車輛需求控制驅動電機,為新能源汽車提供基本驅動力;同時在車輛制動時將動能轉換為電能至儲能系統,是主要的能量轉換器件。其不僅負荷較重、控制精度要求高,而且還要兼顧電動汽車的電壓等級、功率等級、極限環境、功率密度、使用壽命、控制成本等要求。針對電動汽車運行情況的需求,電動汽車的IGBT芯片正朝著小型化、抗震動、低損耗、耐高溫、更高安全性以及智能化方向發展。
國外先進企業如英飛凌、富士、三菱等均開發了新一代電動汽車IGBT芯片,目前IGBT產品汽車市場國產占有率仍然較低。株洲中車時代電氣已開發1700V~6500V系列IGBT產品,并在軌道交通、智能電網等領域實現商用,在此基礎上開發了T5代適合電動汽車應用的750V/200A、1200V/200A以及750V/300A規格雙面可焊的高性能IGBT芯片,目前處于國內領先水平。華虹宏力基于6英寸和8英寸的平面型和溝槽型1700V、2500V和3300V的IGBT芯片已進入量產。
國內IGBT的主要市場份額均被美、日、歐洲等海外企業所壟斷,總部位于浙江嘉興的斯達半導體(starpower)是我國目前國內最大的IGBT模塊生產廠家,2016年斯達半導體在IGBT模塊領域的全球市場占有率為2.5%,排全球第9位。

▼2016年全球IGBT半導體市場份額(%)

資料來源:IHS,天風證券研究所
功率半導體市場基本被海外壟斷,國內企業替代空間廣闊
雖然功率半導體產業極具重要性,且規模龐大,但是主要供應商集中在美國、日本和歐洲。美國是電力電子器件的發源地,在全球電力電子器件市場中占有重要地位,主要器件企業有ONSemi等。從上世紀90年代開始,日本成為國際上電力電子器件產業的發達地區,主要器件企業有東芝、富士和三菱等。歐洲也是全球電力電子器件產業的發達地區,主要企業有英飛凌、ABB、Semikron等。美國汽車制造商通常從日本汽車零部件供應商處采購。通用汽車由日立AMS和TDK供應零部件,而福特汽車則從東芝采購傳動相關零部件。就混合動力汽車而言,日本汽車制造商水平要高于美國,美國企業的策略是短期從日本供應商采購部件,同時在內部開發自己的部件,以逐步進行生產替代,這對國內汽車企業零部件國產替代化起到了良好示范作用。
▼功率半導體市場主要參與廠家

資料來源:各公司網站,天風證券研究所
在日本的汽車制造商中,豐田汽車的所有這些零部件的內部生產比例都很高。本田汽車的傳動系統相關的部件內部生產比例很高,從外部采購電池和轉換器相關部件。日產汽車內部優先生產電機和逆變器,從日本國內供應商處采購其他部件。三菱汽車和馬自達汽車的核心部件主要從外部采購獲得。
在歐洲的汽車制造商中,大眾汽車的外部零件采購比例較高,主要供應商為采埃孚(ZF)和博世(Bosch)。TDK在為歐洲汽車制造商提供轉換器方面有著悠久的歷史,日本松下也有為其提供鋰離子電池的市場份額。日立AMS向美國和歐洲的汽車制造商提供電機和逆變器。
作為混合動力汽車、插電式混合動力汽車和電動汽車的核心,驅動電機由豐田汽車,本田汽車和日產汽車等日本主要汽車制造商內部生產,而馬自達和富士重工從豐田汽車生產汽車。這些電子制造商也有供應日本國外汽車制造商的記錄:日立AMS供應通用汽車,東芝供應福特汽車,日本電產供應戴姆勒。
日立和三菱電機作為一家重型電機制造商擁有悠久的電機生產歷史,并且在這一領域擁有出色的技術,但當前電機發展市場擴張速度較為謹慎。
逆變器和變頻器有助于控制整個車輛的電壓。它們被稱為功率控制單元(PCU)。豐田汽車為其核心車型生產自己的PCU,對于普銳斯而言,要么是公司自己生產IGBT、基板、機箱、DC-DC轉換器,要么就由豐田代工。本田汽車為其混合動力汽車,插入式混合動力汽車和電動汽車的智能功率單元(IPU)組裝PCU,鎳氫電池,鋰離子電池組和電池平衡ECU。
本田飛度的IPU包含外部采購的零件,如三菱電機的逆變器和TDK的DC-DC轉換器。本田汽車與三菱電機有很緊密的業務關系。逆變器是PCU和IPU中最重要的部分,由IGBT和其他功率器件組成。豐田、普銳斯使用由富士電機制造的逆變器。本田Insight系列采用三菱電機的逆變器,三菱iMiEV系列采用日立生產的逆變器。
在DC-DC轉換器中,豐田工業和電裝供應豐田汽車。電裝和松下為日產汽車供應DC-DC轉換器。TDK,ShindengenElectric,豐田工業和電裝供應本田汽車。在電子產品制造商中,尼吉康為馬自達和三菱汽車提供DC-DC轉換器。除了供應本田汽車和其他日本汽車制造商之外,TDK似乎也有供應通用汽車、福特汽車和大眾汽車的記錄?;旌蟿恿ζ?,插電式混合動力汽車和電動汽車用電池是由汽車制造商和電池制造商之間形成的多家合資企業采購的,旨在磨練其發展的競爭優勢。
中國功率半導體市場在中高端MOSFET及IGBT主流器件市場上,主要份額依賴進口,基本被國外歐美、日本企業壟斷,國內企業替代空間非常廣闊。

▼2016-2022年全球功率半導體市場規模/億美元

▼全球功率半導體市場競爭格局

資料來源:電子工程世界,天風證券研究所















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