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詳解汽車上的功率半導體
2022-03-10
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隨著汽車電動化、智能化、網聯化等發展，汽車電子迎來結構性變革大機會。在傳統燃料汽車中，汽車電子主要分布于動力傳動系統、車身、安全、娛樂等子系統中。按照功能劃分，汽車半導體可大致分為功率半導體（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動機、油箱或變速器，“三電系統”即電池、電機、電控系統取而代之，新增DC-DC模塊、電機控制系統、電池管理系統、高壓電路等部件。相應地實現能量轉換及傳輸的核心器件功率半導體含量大大增加。因此從半導體種類上看，傳統燃料汽車中MCU含量最高（23%），而新能源汽車中功率半導體含量最高（55%）。
新能源汽車市場概況
展望2021年，我國將成為拉升新能源車增量的主要地區：一方面，多項政策拉動車輛銷售與充電站設立；另一方面，對外牌車施行嚴格限行措施的一線城市如上海，新能源車牌不在限行規范內等，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。
多重因素驅動下，新能源汽車景氣度高企
全球汽車市場規模超過3.5億美元，年均銷量9000萬輛左右，汽車行業成為一個龐大的支柱性產業。2009年中國汽車銷量首次超越美國，至今已連續11年穩居全球第一大汽車市場，近幾年汽車銷量穩定在2500萬輛/年左右。
2010年新能源汽車被國務院確定為七大戰略性新興產業之一，行業于2 014年后開始進入高速增長通道，從2015年開始國內新能源車銷量穩居全球第一。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，國務院辦公廳印發了《新能源汽車產業發展規劃（2021-2035）》（以下簡稱《規劃》），提出到2025年，新能源汽車新車銷量將達到汽車總銷量的20%，預計500-600萬輛。未來5年中國的新能源汽車行業將迎來近40%的復合增速，顯示行業超高的景氣度。
多角度因素考慮，新能源汽車優勢明顯
在成本、效率和環保的驅動下，新能源汽車注定成為未來汽車的主流形態：
從成本角度看，目前國家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勢。和燃油車相比，電動車整體結構更加簡化，計算機和其他電子設備更易與汽車控制器接口銜接，與智能網聯汽車相結合更具能耗優勢。
從環保角度看，歐美繼續推行嚴格的排放標準，美國加州政府要求2035年起，加州銷售的每輛新車必須實現零排放。我國新能源汽車產業發展規劃中提出到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體量價齊升
汽車電子拉動半導體整體需求
從傳統燃料汽車到新能源汽車，半導體在汽車領域的占比逐年增加，汽車含硅量大大提升。2019年全球半導體行業市場規模為4121億美元，其中汽車行業貢獻12.3%的營收。2010-2019年汽車成為半導體行業需求增長最快的行業，年復合增速高達9.2%，遠高于半導體行業整體3.7%的增速水平。
汽車電動化，半導體價值倍增
從單車半導體價值量看，混動汽車和純電動車半導體價值分別為735美元和750美元，相比傳統燃油汽車450美元大大增加。
在傳統燃油汽車中，功率半導體主要用在啟動、停止和行車安全等領域。按照傳統汽車中半導體價值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體單車價值750美元計算，功率半導體單車價值量約為455美元,相比傳統汽車新能源車隊功率半導體需求提升接近9倍。
新能源汽車半導體主賽道：功率半導體
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模塊等產品，核心用于大電流和大電壓的環境。
根據英飛凌介紹，從器件對應功率看，當功率從100kW增加到200kW以上，對應的器件從IGBT到SiC MOSFET過渡。根據應用場景不同，具體對應不同的功率器件。
新能源汽車功率半導體市場空間測算
根據全球新能源乘用車銷售量預計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體市場空間約370億元。
按照我國新能源汽車產量有望在2025年實現600萬輛左右估算，考慮功率半導體價格漲幅，按純電動車EV功率器件800-3500元/輛，插電混動車PHEV（燃油動力系統上外掛電動系統）功率器件均為2100元/輛，預計國內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第三次革命最具代表性的產品。IGBT是工業控制及自動化領域的核心元器件，其作用類似于人類的心臟，能夠根據工業裝置中的信號指令來調節電路中的電壓、電流、頻率、相位等，以實現精準調控的目的。保障電子產品、電力設備正常運行，同時降低電壓損耗，使設備節能高效。
IGBT是由MOSFET和BJT組成的復合功率半導體器件，既具備MOSFET輸入阻抗高、控制功率小、驅動電路簡單、開關速度快的優勢，也具備BJT通態電流大、通電壓低、損耗小等優點。其在高壓、高速、大電流等方面相比其他功率半導體器件具備明顯優勢，是未來功率半導體應用的主要發展方向。
從上世紀80年代至今，IGBT經歷了數代更新發展，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、通態飽和壓降、關斷時間、功率損耗等各項指標經歷了不斷的優化，斷態電壓也從600V提高到6500V以上。IGBT技術不斷更新是提高耐壓水平和減小損耗以達到下游領域的需求。采用新架構的IGBT通過降低關斷時間和通態壓降來減少功率損耗，提高斷態電壓水平，同時新工藝使得面積更小，工作溫度更高，成本更低。
IGBT未來發展趨勢主要薄片工藝，目的在于減小襯底電阻和較少熱阻而達到進一步減少損耗。在管芯上主要增加器件面積，提高電流密度。同時為了進一步降低制造成本，硅片也從一開始的5英寸到現在主流的8英寸和12英寸，折算后每顆芯顆成本可進一步降低。
技術方面。在新能源汽車中IGBT應用范圍一般在電壓600V以上，電流10A以上或頻率1KHz以上的區域，主要對應高電壓環境的電力驅動系統，電機控制系統及車載充電器，單車IGBT價值約400美元左右。
電力驅動系統主要用在逆變器DC-AC中，將充電電池12V的直流電轉換成為驅動電機220V的交流電驅動電機工作。電機控制系統上需要用到幾十個IGBT，從電池輸出高電壓后，需通過DC-DC變化為低電壓后供汽車低壓網絡使用，例如特斯拉的三相交流異步電機，每相用28個IGBT累計84個，其他電機12個IGBT，特斯拉總共用到96個IGBT。
電控系統是電動車價值量第二大單個部件，單個電動車中電控采購成本約為3000-5000元，其中IGBT在電控成本中占比高達41%，是電控核心部件，其功能主要是完成車載充電器上電流變化。除此之外，IGBT亦用于空調系統，PCT加熱器等小功率逆變部分。
IGBT市場規模空間較大，全球IGBT市場2018年規模約為62.24億美元，預計2025年達到95億美元。我國IGBT市場規模2019年達155億元，根據Trendforce預測，受益于新能源汽車和工業領域的需求大幅增加，中國IGBT市場規模將持續增長，預計到2025年中國IGBT市場規模將達到526億元（75億美金），年復合增長率達19.11%。
競爭格局。目前IGBT芯片基本都被外資壟斷，我國IGBT高度依賴進口。根據英飛凌對2018年全球市場格局的統計，模組端斯達半導作為唯一國產公司躋身前十位，市場占比2.2%。從汽車功率半導體公司上看，前5大企業主要為英飛凌、STM等外資企業，市占率達到63%，整體市場還是被海外壟斷。
除斯達半導外，中車時代電氣及比亞迪為國內IGBT自主研發領軍企業。根據2019年國內車規級IGBT市場統計，前10名供應商中三家中國企業（比亞迪、斯達半導、中車時代電氣）的市場份額合計僅20.4％，國產化程度低。相對全球整體市場，國內市場生態相對寬松，國產品牌獲得相對更高的市場份額。 圖片 整體上看IGBT市場空間大，且目前國產化程度低，車規級IGBT國產化替代空間大。目前國產龍頭已進入頭部市場，且技術發展較快，在政策和資本大力支持下，國內廠商有望打開市場缺口占領部分市場份額。
細分賽道二：第三代半導體SiC等器件嶄露頭角
硅是半導體行業第一代基礎材料，目前全球95%以上的集成電路元器件是以硅為襯底制造的。半導體材料經過幾十年的發展，可以分為三代：
第一代半導體材料：鍺、硅等單晶半導體材料，硅擁有1.1eV的禁帶寬度以及氧化后非常穩定的特性。
第二代半導體材料：砷化鎵、銻化銦等化合物半導體材料，砷化鎵擁有1.4電子伏特的禁帶寬度以及比硅高五倍的電子遷移率。
第三代半導體材料：以碳化硅、氮化鎵為代表的寬禁帶半導體材料，有更高飽和漂移速度和更高的臨界擊穿電壓等突出優點，適合大功率、高溫、高頻、抗輻照應用場合。
半導材料發展至今，第一代硅材料半導體已經接近完美晶體。基于硅材料上器件的設計和開發也經過了許多代的結構和工藝優化和更新，正在逐漸接近硅材料的極限，基于硅材料的器件性能提高的潛力愈來愈小。以氮化鎵、碳化硅為代表的第三代半導體具備優異的材料物理特性，為進一步提升電力電子器件的性能提供了更大的空間。
第三代半導體由于在物理結構上具有能級禁帶寬的特點，又稱為寬禁帶半導體，主要是以氮化鎵和碳化硅為代表，其在半導體性能特征上與第一代的硅、第二代的砷化鎵有所區別，使得其能夠具備高禁帶寬度、高熱導率、高擊穿場強、高電子飽和漂移速率等優勢，從而能夠開發出更適應高溫、高功率、高壓、高頻以及抗輻射等惡劣條件的小型化功率半導體器件，可有效突破傳統硅基功率半導體器件及其材料的物理極限。
SiC與Si相比，在耐高壓、耐高溫、高頻等方面具備碾壓優勢，是材料端革命性的突破。在耐高壓方面，SiC擊穿場強是Si的10倍，這意味著同樣電壓等級的SiC MOSFET晶圓的外延層厚度只需要Si的十分之一，對應的漂移區阻抗大大降低，且SiC禁帶寬度是Si的3倍，導電能力更強。在耐高溫方面，SiC熱導率及熔點非常高，是Si的2-3倍。在高頻方面，SiC電子飽和速度是Si的2-3倍，能夠實現10倍的工作頻率。
根據Rohm對SiC MOSFET在汽車應用中的進度預測，隨著技術成熟，SiC MOSFET將逐漸替代部分Si MOSFET。通過采用全SiC功率模塊制造的逆變器可以使開關損耗降低75％（芯片溫度為150°C），逆變器尺寸下降43%，重量輕6kg，最終汽車連續續航距離增加20-30%。
目前SiC市場滲透率相對較低，根據Cree對SiC器件的預測，18年全球SiC的器件銷售額4.2億美元，預計在2024年達到50億美元。特斯拉2018年將SiC用于Model 3后，超過90%電動車廠決定要用SiC，整個電動汽車產業鏈出現SiC缺貨。
從競爭格局上看，Cree、Rohm、ST都已形成了SiC襯底-外延-器件-模塊垂直供應的體系，而Infineon、Bosch、On Semi等廠商則購買SiC襯底，隨后自行進行外延生長并制作器件及模塊。目前SiC市場的供給牢牢把控在襯底廠商手里，Cree、II-VI及Si-Crystal（Rohm旗下）合計占據了90%的出貨量，而器件及模組的供應商中Cree、Rohm、Infineon及ST合計占據了超過70%的市場份額，但總體上由于市場目前還處于初期階段，滲透率較低，未來幾年的競爭格局還有較大不確定性。
目前我國SiC方面也有多個玩家加入，在材料端有多家公司進入賽道，例如天科合達和山東天岳；在外延方面有瀚天天成、東莞天域、三安集成、中電科等。三安是目前第三代半導體布局最全的龍頭企業，下游有多家整車廠商及功率器件廠商都加入到該賽道中。
整體上看SiC功率器件市場滲透率較低，增速較快，目前行業內企業還處于跑馬圈地階段，市場競爭格局存在不確定性，國內廠商有望在未來的增量市場中獲得一定份額。
國內外功率半導體代表公司
國內主要功率半導體公司
由于車規級半導體市場門檻高，在運行環境、器件穩定性、可靠性和故障率等多方面均有嚴格要求，加之汽車半導體產品生命周期通常要求15年以上（即整車生命周期均能正常工作），供貨周期則可能長達30年，因此在汽車半導體行業，IDM模式是廠商主要發展模式。國內代表性上市公司有：斯達半導，比亞迪半導體，中車時代電氣，三安光電等。
比亞迪 比亞迪半導體公司是比亞迪子公司，是中國最大的車規級IGBT廠商。公司主要業務覆蓋功率半導體、智能控制IC、智能傳感器及光電半導體的研發、生產及銷售，以IDM模式，擁有包含芯片設計、晶圓制造、封裝測試和下游應用在內的一體化經營全產業鏈。根據科創板日報消息，目前比亞迪車規級的IGBT已到5代，碳化硅MOSFET已到3代，自有SiC產線正在建設中。比亞迪旗艦車型漢EV四驅版是國內首款批量搭載SiC MOSFET組件的車型，按照比亞迪公布的計劃，預計到2023年，其旗下電動車將實現碳化硅功率半導體全面替代，整車性能在現有基礎上再提升10％。
斯達半導 斯達半導自成立以來一直從事以IGBT為主的功率半導體芯片和模塊的設計研發和生產，并以IGBT模塊形式對外實現銷售。根據IHS Markit的數據，2018年公司在全球IGBT模塊市場排名第八，在國內企業中排名第一。目前已實現自主設計并量產IGBT國際第六代芯片（FS-Trench），并掌握相應封裝工藝，打破了國外功率半導體巨頭長期實現IGBT芯片的壟斷。除了IGBT之外，公司產品同時還有MOSFET模塊、晶閘管、SiC功率器件等。日前，公司發布投資約2.29億元建設全碳化硅功率模組產業化項目公告，預計項目建設周期2年，建成后項目將有年產8萬顆車規級全碳化硅功率模組生產線和研發測試中心。
2019年公司營收實現7.79億元，同比增長15.41%，凈利潤實現1.36億元，同比增長40.74%。近五年公司營收和凈利潤復合增長率分別達32.6%和62.81%。2019年IGBT模塊的銷售收入占營業收入的97%，其中1200V IGBT模塊的銷售收入占營業收入的73%，是公司的主要產品。
其他電壓IGBT模塊收入占比24%。其他產品占比較小，包括MOSFET模塊、整流及快恢復二極管模塊等，占營業收入的3%。公司IGBT模塊產品豐富，種類齊全，覆蓋工業級、汽車級和家電領域的應用。目前，公司IGBT產品種類超過600種，電壓等級涵蓋100V～3300V，電流等級涵蓋10A～3600A。
中車時代電氣 中車時代半導體是中車時代電氣子公司，主要生產大功率晶閘管、IGCT、IGBT及SiC器件及其組件，以IDM模式，聚焦軌道交通、高壓輸配電和新能源市場，著眼于推進新能源汽車組件配套建設項目，包括電控、電機、IGBT、傳感器在內的系統集成。目前，公司功率器件產品要應用于軌道交通、新能源汽車、光伏逆變器等領域，IGBT已覆蓋750 V-6500 V，SiC器件已覆蓋650 V-1700 V，700V、3300V混合SiC牽引變流器以及3300V全SiC牽引變流器已規模應用。
三安光電 三安集成是三安光電子公司，三安集成電路涵蓋微波射頻、高功率電力電子、光通訊等領域的化合物半導體制造平臺，以IDM模式，具備襯底材料、外延生長、以及芯片制造能力。公司2020年以來銷售出貨大幅增長，實現銷售收入3.75億元，同比增長680.48%。
砷化鎵射頻出貨客戶累計將近100家、氮化鎵射頻產品重要客戶產能正逐步爬坡；電力電子產品客戶累計超過60家，27種產品已進入批量量產階段；光通訊業務除擴大現有中低速PD/MPD產品的市場領先份額外，高端產品10G APD/25G PD、VCSEL和DFB發射端產品均已在行業重要客戶處驗證通過，進入批量試產階段；濾波器產品開發性能優越，產線持續擴充及備貨中。
目前，公司已經完成SIC MOSFET器件量產平臺的打造，1200V 80mΩ產品已完成研發并通過一系列產品性能和可靠性測試，可廣泛適用于光伏逆變器、開關電源、脈沖電源、高壓DC/DC、新能源充電和電機驅動等應用領域。
國外主要競爭對手
英飛凌(Infineon) 英飛凌科技公司于1999年在德國慕尼黑正式成立，是全球領先的半導體公之一。公司前身為西門子集團的半導體部門，于1999年獨立，2000年上市。公司作為國際半導體產業創新的領導者，為有線和無線通信、汽車及工業電子、內存、計算機安全以及芯片卡市場提供先進的半導體產品及完整的系統解決方案。截止2020年12月18日，英飛凌科技公司市值為405億美金，靜態估值為42倍。
作為功率半導體領導者，英飛凌是市場上唯一一家提供覆蓋硅、碳化硅和氮化鎵等材料的全系列功率產品的公司，擁有高性價比的第七代CoolMOS?、基于第三代寬禁帶半導體的高性能CoolSiC?與CoolGaN?、以及支持更高頻率應用的第六代OptiMOS?等豐富產品組合，從芯片技術層面提升電源效率。同時英飛凌也是IGBT技術領導者，根據IHS Markit最新數據，英飛凌在全球IGBT市場市占率達34.5%。
公司在汽車半導體領域深耕多年，近20年公司汽車半導體收入逐年上升，復合增速約為10.1%。隨著2015年新能源汽車市場的增長，汽車半導體收入增幅及市場份額逐年擴大，目前公司已成為汽車半導體最大的供應廠商。
2020年第三季度汽車事業部收入10億歐元，環比增加29.08%，同比增加17.81%。根據公司三季報說明，收入大幅增加主要源于電動車以及MCU銷量的增加。從收入構成上看，2020年公司功率半導體收入55%，其中約一半來自于新能源汽車和自動駕駛部分的需求。
從公司歷史估值情況看，2020年公司PE倍數持續走高，在2020年9月后市盈率大幅上升，究其原因主要是新能源車歐洲市場2020年的爆發。根據歐洲汽車制造商協會（ACEA）的統計，歐洲新能源車注冊量在2020年明顯增加，第三季度大幅增加至27萬輛左右，同比增加221.6%，環比增加111.69%。 
根據英飛凌對未來新能源汽車市場預測，2023年全球新能源市場滲透率將超過23%，2027年將超過50%。未來公司重點布局SiC功率模組為基礎的升級版電動車平臺，同時SiC MOSFET業務借由IGBT的大量客戶優勢將迅速增長，預計汽車半導體整體銷量有大幅增加。
三菱電機 三菱電機株式會社是三菱集團的核心企業之一，成立于1921年。根據三菱電機株式會社2019年年報，截至2019年3月31日，公司員工數量達145,817人。三菱電機在全球的電力設備、通信設備、工業自動化、電子元器件、家電等市場占據著重要的地位。三菱電機的半導體產品包括功率模塊（IGBT、IPM、MOSFET等）、微波/射頻和高頻光器件、光模塊和標準工業用的TFTLCD等。
作為全球領先的IGBT企業，三菱電機在中等電壓、高電壓IGBT領域處于領先地位。根據IHSMarkit 2018年報告，2017年全球市場占有率為17.90%，僅次于英飛凌。
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