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2018-2019汽車功率半導(dǎo)體行業(yè)研究

2019-04-24 20:48:15·  來(lái)源：佐思汽車研究  
　
功率半導(dǎo)體器件是半導(dǎo)體的一個(gè)重要分支，功率半導(dǎo)體器件可以分為電源管理IC、功率模組和功率分立器件三大類。汽車半導(dǎo)體可以分為五大類，分別是功率器件（Power
功率半導(dǎo)體器件是半導(dǎo)體的一個(gè)重要分支，功率半導(dǎo)體器件可以分為電源管理IC、功率模組和功率分立器件三大類。
汽車半導(dǎo)體可以分為五大類，分別是功率器件（Power）、傳感器（Sensor）、處理器（Processor)、ASSP（主要是Connectivity和Amplifier）、Logic和其他。汽車中使用最多的半導(dǎo)體產(chǎn)品分別是傳感器、MCU和功率半導(dǎo)體。其中MCU占比最高，其次是功率半導(dǎo)體，功率半導(dǎo)體主要運(yùn)用在動(dòng)力控制系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、燃油噴射、底盤安全系統(tǒng)中。
 
傳統(tǒng)汽車中，功率半導(dǎo)體主要應(yīng)用于啟動(dòng)、發(fā)電和安全領(lǐng)域，新能源汽車普遍采用高壓電路，當(dāng)電池輸出高壓時(shí)，需要頻繁進(jìn)行電壓變化，對(duì)電壓轉(zhuǎn)換電路需求提升，此外還需要大量的DC-AC逆變器、變壓器、換流器等，這些對(duì)IGBT、MOSFET、二極管等半導(dǎo)體器件的需求量很大。
 
根據(jù)英飛凌的統(tǒng)計(jì)，平均一輛傳統(tǒng)燃油車使用的半導(dǎo)體器件價(jià)值為355美元，而純電動(dòng)汽車/混合動(dòng)力汽車使用的半導(dǎo)體器件價(jià)值為695美元，幾乎增加了一倍。其中功率器件增加最為顯著，一輛傳統(tǒng)燃料汽車使用動(dòng)力系統(tǒng)功率半導(dǎo)體器件為17美元，而一輛純電動(dòng)汽車/混合動(dòng)力汽車上功率半導(dǎo)體器件價(jià)值為265美元，增加了近15倍。
 
平均每輛汽車半導(dǎo)體使用金額（單位：美元）
來(lái)源：英飛凌
 
IGBT具有高頻率、高電壓、大電流，易于開關(guān)等優(yōu)良性能。IGBT模塊作為核心高壓控制開關(guān)組件，其成本占據(jù)電機(jī)控制器成本的40-50%，占據(jù)新能源汽車整車成本的7-10%左右，直流充電樁20-30%的原材料成本是IGBT。
 
目前中國(guó)IGBT行業(yè)已經(jīng)能夠具備一定的產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同能力。如設(shè)計(jì)方面有中科君芯、西安芯派等，制造方面，中芯國(guó)際、華潤(rùn)上華、上海先進(jìn)、華虹等，模組環(huán)節(jié)有中車西安永電、 愛帕克、南京銀茂等。IDM廠商有比亞迪，中車時(shí)代等。但中國(guó)IGBT芯片依然有進(jìn)90%依賴進(jìn)口，高端產(chǎn)品基本被歐美、日本企業(yè)壟斷，如英飛凌、三菱、富士電機(jī)、東芝、ABB等。
 
國(guó)外IGBT 技術(shù)起步較早，在設(shè)備、材料、芯片設(shè)計(jì)和晶圓制造上已經(jīng)構(gòu)筑了較高的壁壘，國(guó)產(chǎn)IGBT芯片的主要工藝設(shè)備和襯底片，乃至高端芯片都必須從國(guó)外采購(gòu)。而封裝層面上，國(guó)內(nèi)產(chǎn)品的功率密度、散熱性能、可靠性以及模塊設(shè)計(jì)等指標(biāo)也嚴(yán)重落后于國(guó)際IGBT廠商。
2009年比亞迪發(fā)布IGBT1.0技術(shù)，中間歷經(jīng)2.0、2.5的層層迭代。2018年12月11日，比亞迪正式發(fā)布了IGBT4.0技術(shù)，在諸多關(guān)鍵指標(biāo)上已優(yōu)于當(dāng)前市場(chǎng)主流產(chǎn)品，例如電流輸出能力高15%，綜合損耗降低20%，打破了IGBT受制于國(guó)外的局面。
 
在電池容量成為電動(dòng)車瓶頸問題的背景下，提高充電功率和效率，節(jié)省行車過(guò)程中的能耗等問題是提升電動(dòng)車?yán)m(xù)航能力的有效途徑，因此，常規(guī)車用硅基功率器件均具備被第三代半導(dǎo)體功率器件替代的可能性。
 
SiC是第三代半導(dǎo)體材料的代表。由于SiC具有高耐壓、低損耗、高效率等特性，可以讓功率器件突破硅的限制，帶來(lái)更好的導(dǎo)電性和電力性能。這些特性的提高，正與汽車電子、工業(yè)自動(dòng)化以及新能源等領(lǐng)域的需求相契合。因而，各大廠商紛紛在SiC上布局。
 
2018年，Tesla Model 3已經(jīng)把碳化硅MOSFET用到了其主驅(qū)動(dòng)控制器上面，來(lái)降低傳導(dǎo)和開關(guān)損耗，特斯拉Model3的逆變器采用了意法半導(dǎo)體制造的SiC MOSFET，每個(gè)逆變器包括了48個(gè)SiC MOSFET。Model3的車身比 Model S 減小了20%。隨著整車企業(yè)越來(lái)越多的在功率電子里面采用碳化硅器件，未來(lái)于主逆變器、車載充電器(OBC)，以及直流-直流(DC-DC)轉(zhuǎn)換器等部件都會(huì)有很大的改變。
 
此外，SiC基功率器件在快速大功率充電方面同樣優(yōu)勢(shì)明顯，預(yù)計(jì)2017至2023年均復(fù)合增速達(dá)到21%。2018年，Delta（臺(tái)達(dá)）聯(lián)手通用等研發(fā)400kW超快速充電系統(tǒng)（XFC）使用SiC功率半導(dǎo)體器件，傳輸效率可達(dá)到96.5%，每分鐘充電可行駛29公里。與之相比，特斯拉超充每分鐘10公里，而保時(shí)捷承諾為Taycan電動(dòng)跑車充電效率為每分鐘約20公里。
 
2017年全球SiC功率半導(dǎo)體市場(chǎng)總額達(dá)3.99億美元。預(yù)計(jì)到2023年市場(chǎng)總額將達(dá)16.44億美元，年復(fù)合增長(zhǎng)率26.6%。從產(chǎn)業(yè)鏈角度看，SiC包括單晶襯底、外延片、器件設(shè)計(jì)、器件制造等環(huán)節(jié)。美國(guó)居于領(lǐng)導(dǎo)地位，占有全球SiC產(chǎn)量的70%-80%。
 
SiC單晶襯底企業(yè)主要有Cree、DowCorning、SiCrystal、II-VI、新日鐵住金、Norstel等；外延片企業(yè)主要有DowCorning、II-VI、Norstel、Cree、羅姆、三菱電機(jī)、Infineon等；器件方面相關(guān)主要企業(yè)包括，Infineon、Cree、羅姆、意法半導(dǎo)體等。
 
中國(guó)企業(yè)在單晶襯底方面，以4英寸為主，目前已經(jīng)開發(fā)出了6英寸導(dǎo)電性SiC襯底和高純半絕緣SiC襯底。山東天岳、天科合達(dá)、河北同光、中科節(jié)能均已完成6英寸襯底的研發(fā)，中電科裝備研制出6英寸半絕緣襯底。 
 
外延片方面，中國(guó)瀚天天成、東莞天域半導(dǎo)體、國(guó)民天成均可供應(yīng)4-6英寸外延片。
 
2018年12月，比亞迪宣布已投入巨資布局第三代半導(dǎo)體材料SiC，并將整合材料（高純碳化硅粉）、單晶、外延、芯片、封裝等SiC基半導(dǎo)體全產(chǎn)業(yè)鏈，目的在于降低SiC器件的制造成本，加快其在電動(dòng)車領(lǐng)域的應(yīng)用。
 
比亞迪表示已經(jīng)成功研發(fā)了SiC MOSFET，有望于2019年推出搭載SiC電控的電動(dòng)車。預(yù)計(jì)到2023年，比亞迪將在旗下的電動(dòng)車中，實(shí)現(xiàn)SiC基車用功率半導(dǎo)體對(duì)硅基IGBT的全面替代，將整車性能在現(xiàn)有基礎(chǔ)上再提升10%。 
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