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深度解析！汽車上的功率半導(dǎo)體（一）

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2022-03-18 01:12:04 14

隨著汽車電動化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化等發(fā)展，汽車電子迎來結(jié)構(gòu)性變革大機會。在傳統(tǒng)燃料汽車中，汽車電子主要分布于動力傳動系統(tǒng)、車身、安全、娛樂等子系統(tǒng)中。按照功能劃分，汽車半導(dǎo)體可大致分為功率半導(dǎo)體（IGBT和MOSFET等）、MCU、傳感器及其他等元器件。

對于新能源汽車而言，汽車不再使用汽油發(fā)動機、油箱或變速器，“三電系統(tǒng)”即電池、電機、電控系統(tǒng)取而代之，新增DC-DC模塊、電機控制系統(tǒng)、電池管理系統(tǒng)、高壓電路等部件。相應(yīng)地實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換及傳輸?shù)暮诵钠骷β拾雽?dǎo)體含量大大增加。因此從半導(dǎo)體種類上看，傳統(tǒng)燃料汽車中MCU含量最高（23%），而新能源汽車中功率半導(dǎo)體含量最高（55%）。

新能源汽車市場概況

目前，我國2020年前三季度整體乘用車銷量1337.6萬輛，其中新能源車銷量為65萬輛，而假設(shè)每個月200萬輛銷量，占比不到5%。預(yù)計2020年新能源銷量在120萬輛左右，市場滲透率4.8%。2025年滲透率目標(biāo)為20%，要實現(xiàn)該目標(biāo)意味著接下來5年新能源汽車占比要提升15%，每年滲透率平均提升約3%，對應(yīng)約75萬輛的增量。

展望2021年，我國將成為拉升新能源車增量的主要地區(qū)：一方面，多項政策拉動車輛銷售與充電站設(shè)立；另一方面，對外牌車施行嚴(yán)格限行措施的一線城市如上海，新能源車牌不在限行規(guī)范內(nèi)等，在多方面的刺激下，新能源車的銷售將回升至全球平均值之上。

新能源汽車景氣度高企

全球汽車市場規(guī)模超過3.5億美元，年均銷量9000萬輛左右，汽車行業(yè)成為一個龐大的支柱性產(chǎn)業(yè)。2009年中國汽車銷量*超越美國，至今已連續(xù)11年穩(wěn)居全球*大汽車市場，近幾年汽車銷量穩(wěn)定在2500萬輛/年左右。

2010年新能源汽車被*確定為七大戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)之一，行業(yè)于2014年后開始進入高速增長通道，從2015年開始國內(nèi)新能源車銷量穩(wěn)居全球*。2019年中國新能源汽車銷量共計120.6萬輛，占全球221萬輛的一半以上。

2020年11月，*辦公廳印發(fā)了《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021-2035）》（以下簡稱《規(guī)劃》），提出到2025年，新能源汽車新車銷量將達到汽車總銷量的20%，預(yù)計500-600萬輛。未來5年中國的新能源汽車行業(yè)將迎來近40%的復(fù)合增速，顯示行業(yè)超高的景氣度。

新能源汽車優(yōu)勢明顯

在成本、效率和環(huán)保的驅(qū)動下，新能源汽車注定成為未來汽車的主流形態(tài)：

從成本角度看，目前*補貼和地方政府補貼相對較高，同時新能源汽車能耗費用以及保養(yǎng)費用較低，從車輛的全生命周期角度看，新能源汽車的全生命周期成本低于燃油汽車。

從技術(shù)角度看，在汽車智能化大趨勢下，電動汽車在承接自動駕駛性能方面更具優(yōu)勢。和燃油車相比，電動車整體結(jié)構(gòu)更加簡化，計算機和其他電子設(shè)備更易與汽車控制器接口銜接，與智能網(wǎng)聯(lián)汽車相結(jié)合更具能耗優(yōu)勢。

從環(huán)保角度看，歐美繼續(xù)推行嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)，美國加州政府要求2035年起，加州銷售的每輛新車必須實現(xiàn)零排放。我國新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃中提出到2025年，新能源汽車新車銷售量達到汽車新車銷售總量的20%左右。

汽車電動化推動功率半導(dǎo)體量價齊升

汽車電子拉動半導(dǎo)體整體需求

從傳統(tǒng)燃料汽車到新能源汽車，半導(dǎo)體在汽車領(lǐng)域的占比逐年增加，汽車含硅量大大提升。2019年全球半導(dǎo)體行業(yè)市場規(guī)模為4121億美元，其中汽車行業(yè)貢獻12.3%的營收。2010-2019年汽車成為半導(dǎo)體行業(yè)需求增長最快的行業(yè)，年復(fù)合增速高達9.2%，遠高于半導(dǎo)體行業(yè)整體3.7%的增速水平。

半導(dǎo)體價值倍增

從單車半導(dǎo)體價值量看，混動汽車和純電動車半導(dǎo)體價值分別為735美元和750美元，相比傳統(tǒng)燃油汽車450美元大大增加。

在傳統(tǒng)燃油汽車中，功率半導(dǎo)體主要用在啟動、停止和行車安全等領(lǐng)域。按照傳統(tǒng)汽車中半導(dǎo)體價值450美元，功率器件為50美元，占比10%左右。由于新能源汽車電池動力模塊都需要功率半導(dǎo)體，混合動力汽車的功率器件占比增至40%，純電動汽車的功率器件占比增至55%。按照純電動汽車半導(dǎo)體單車價值750美元計算，功率半導(dǎo)體單車價值量約為455美元,相比傳統(tǒng)汽車新能源車隊功率半導(dǎo)體需求提升接近9倍。

新能源汽車半導(dǎo)體主賽道：功率半導(dǎo)體

相較于燃油汽車，電動車新增功率器件的需求主要有三個方面：逆變器中的IGBT模塊；OBC、DC/DC中的高壓MOSFET；輔助電器中的IGBT分立器件。功率半導(dǎo)體是新能源汽車價值量提升最多的部分，需求端主要為IGBT、MOSFET及多個IGBT集成的IPM模塊等產(chǎn)品，核心用于大電流和大電壓的環(huán)境。

根據(jù)英飛凌介紹，從器件對應(yīng)功率看，當(dāng)功率從100kW增加到200kW以上，對應(yīng)的器件從IGBT到SiC MOSFET過渡。根據(jù)應(yīng)用場景不同，具體對應(yīng)不同的功率器件。

新能源汽車功率半導(dǎo)體市場空間測算

根據(jù)全球新能源乘用車銷售量預(yù)計2025年約2100萬輛推算，按微混（525元）、插電混動（2100元）和純電(3185元)三類車型功率器件成本估算，2025年全球新能源汽車功率半導(dǎo)體市場空間約370億元。

按照我國新能源汽車產(chǎn)量有望在2025年實現(xiàn)600萬輛左右估算，考慮功率半導(dǎo)體價格漲幅，按純電動車EV功率器件800-3500元/輛，插電混動車PHEV（燃油動力系統(tǒng)上外掛電動系統(tǒng)）功率器件均為2100元/輛，預(yù)計國內(nèi)新能源車功率器件市場空間2025年將增至160億元。

細分賽道一：IGBT，汽車動力系統(tǒng)的“CPU”

IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）即絕緣柵雙極型晶體管，是國際上公認的電力電子技術(shù)第三次革命最具代表性的產(chǎn)品。IGBT是工業(yè)控制及自動化領(lǐng)域的核心元器件，其作用類似于人類的心臟，能夠根據(jù)工業(yè)裝置中的信號指令來調(diào)節(jié)電路中的電壓、電流、頻率、相位等，以實現(xiàn)*調(diào)控的目的。保障電子產(chǎn)品、電力設(shè)備正常運行，同時降低電壓損耗，使設(shè)備節(jié)能高效。

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IGBT是由MOSFET和BJT組成的復(fù)合功率半導(dǎo)體器件，既具備MOSFET輸入阻抗高、控制功率小、驅(qū)動電路簡單、開關(guān)速度快的優(yōu)勢，也具備BJT通態(tài)電流大、通電壓低、損耗小等優(yōu)點。其在高壓、高速、大電流等方面相比其他功率半導(dǎo)體器件具備明顯優(yōu)勢，是未來功率半導(dǎo)體應(yīng)用的主要發(fā)展方向。

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從上世紀(jì)80年代至今，IGBT經(jīng)歷了數(shù)代更新發(fā)展，從平面穿通型（PT）到溝槽型電場—截止型（FS-Trench），芯片面積、工藝線寬、通態(tài)飽和壓降、關(guān)斷時間、功率損耗等各項指標(biāo)經(jīng)歷了不斷的優(yōu)化，斷態(tài)電壓也從600V提高到6500V以上。IGBT技術(shù)不斷更新是提高耐壓水平和減小損耗以達到下游領(lǐng)域的需求。采用新架構(gòu)的IGBT通過降低關(guān)斷時間和通態(tài)壓降來減少功率損耗，提高斷態(tài)電壓水平，同時新工藝使得面積更小，工作溫度更高，成本更低。

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