【導讀】在當前全球經(jīng)濟衰退和整個半導體行業(yè)下行周期背景下，汽車半導體似乎成為了一個逆勢的窗口產(chǎn)業(yè)。與此同時，隨著汽車電動化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化、共享化等新四化發(fā)展趨勢，以及新能源汽車產(chǎn)銷兩旺的持續(xù)景氣市場，汽車電子迎來結(jié)構(gòu)性變革機遇。
新能源汽車（混合動力汽車或純電動汽車等）半導體含量顯著高于傳統(tǒng)汽車。
相較于燃油車，新能源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)、高壓電路等核心部件，在這些部件中MOSFET、 IGBT 等功率器件都起著非常關(guān)鍵的作用。
功率半導體在新能源汽車上的應用
功率半導體是電子裝置中電能轉(zhuǎn)換與電路控制的核心，主要用于改變電子裝置中電壓和頻率、直流交流轉(zhuǎn)換等，汽車行業(yè)的變革將拉動功率器件消費增長。
據(jù)英飛凌報告顯示，新能源汽車中功率半導體器件的價值量約為傳統(tǒng)燃油車的5 倍以上。另外，功率器件也將在電動汽車充電站中加大應用，并帶來市場規(guī)模的進一步增長。
Gartner數(shù)據(jù)統(tǒng)計，車規(guī)級功率半導體市場規(guī)模增幅最大，2020年營收約為61億美元，預計到2030年將達到265億美元，這將是整個汽車半導體市場中營收規(guī)模最大的市場。
功率器件迎來增長新契機
硅基MOSFET不可或缺
MOSFET全稱叫做金屬-氧化物半導體場效應晶體管，屬于功率半導體的基礎器件，具有驅(qū)動功率小、開關(guān)速度快，工作頻率高，熱穩(wěn)定性強的特點，廣泛應用于高頻率和中低壓的小功率方面，起到放大電路或開關(guān)電路的作用。
MOSFET依照其“通道”的極性不同，可分為“N型”與“P型”的兩種類型，通常又稱為NMOSFET與PMOSFET，不同類型的MOSFET耐壓性能、范圍也不一樣。
在如今興起的新能源電動車中，硅基MOSFET是不可或缺的存在，是汽車電子中的核心元件。據(jù)行業(yè)機構(gòu)預測，2022年在MOSFET終端應用中，汽車領(lǐng)域占比最高為22%，另外在PC電腦和存儲設備占比達19%，工業(yè)比例為14%。
實際上，在進入新能源汽車時代之前，MOSFET就已經(jīng)應用于燃油車中涉及電動功能的區(qū)域，比如輔助剎車、助力轉(zhuǎn)向和座椅等控制系統(tǒng)。
隨汽車電動化開啟，MOSFET需求激增。新能源汽車以電制動的方式使得中高壓MOEFET作為DC-DC、OBC等電源重要組成部分應用于汽車動力域以完成電能的轉(zhuǎn)換與傳輸，單車用量提升至200個以上；此外，隨著汽車智能化發(fā)展，ADAS、安全、信息娛樂等功能需MOSFET作為電能轉(zhuǎn)換的基礎器件支撐數(shù)字、模擬等芯片完成功能實現(xiàn)，使得中高端車型單車MOSFET用量可增至400個以上。
有數(shù)據(jù)統(tǒng)計，到2026年，全球車規(guī)級MOSFET市場規(guī)模預計為30億美元，年復合增速達12.25%。
IGBT——車規(guī)級功率器件最大增量
上文提到，MOSFET無論是在傳統(tǒng)燃油車還是新能源汽車上，都有廣泛應用，這使得在汽車新四化變革下，車規(guī)級MOSFET的市場增量不如IGBT明顯。
IGBT，絕緣柵雙極型晶體管，是由BJT（雙極型晶體管）和MOSFET組成的復合功率半導體器件，兼具BJT的高耐壓和MOSFET高輸入阻抗優(yōu)點，被行業(yè)稱為新能源汽車的CPU，是新能源汽車的核心，直接控制了驅(qū)動系統(tǒng)直流、交流電的轉(zhuǎn)換，決定了新能源汽車最大輸出功率和扭矩等核心數(shù)據(jù)。
電動汽車的核心在于高壓（200-450V DC）電池及其相關(guān)的充電系統(tǒng)。純電動汽車主電機驅(qū)動一般要求功率器件的驅(qū)動功率在20-150kW，平均功率約在70kW。由于較高的驅(qū)動功率、電壓以及高能耗敏感度，電動車廠往往會采用導通壓降小、工作電壓高的IGBT模塊。
可見，相較硅基MOSFET而言，IGBT 更適合高壓工作，兩者形成互補。
在電力驅(qū)動系統(tǒng)中，IGBT用于逆變器模塊，將蓄電池的直流電轉(zhuǎn)換為交流電以驅(qū)動電機；電源系統(tǒng)中，IGBT用于各種交流-直流與直流-直流變換器中，實現(xiàn)為蓄電池充電與完成所需電壓等級的電源變換等功能；此外，汽車充電樁也需要IGBT逆變功率模塊將直流電逆變?yōu)榻涣麟姡缓笸ㄟ^變壓耦合及蒸餾單元將其轉(zhuǎn)為不同規(guī)格的電流電壓，以實現(xiàn)對電動車的充電。
市場競爭格局方面，目前IGBT主要由歐洲和日本大廠主導，前五大廠商市占率超過60%。據(jù)民生證券統(tǒng)計，目前英飛凌市占率為32.7%，是IGBT領(lǐng)域的絕對巨頭。
在應用方案中，英飛凌推出汽車IGBT模塊FS820R08A6P2B，具有匹配發(fā)射極控制二極管，符合汽車應用要求。
Infineon Technologies 750V HybridPACK?驅(qū)動模塊
據(jù)介紹，Infineon 750V HybridPACK?驅(qū)動模塊是一個超緊湊電源模塊，優(yōu)化用于混合動力和電動汽車主逆變器應用 (xEV)。該系列產(chǎn)品提供基千6種不同封裝的多個版本，從而實現(xiàn)了電壓及功率等級拓展性的最大化，涵蓋了200A-900A以及400V-1200V(芯片額定值)功率范圍。DSC不僅提供了充分的拓展可能性，更將效率提升25%。
英飛凌在不同電壓電流級別提供了不一樣的產(chǎn)品組合，包括裸芯片、單管、功率模塊和組件等，提供了多種IGBT產(chǎn)品系列。引線型FS820R08A6P2B (820A/750V) 是一款六單元模塊，優(yōu)化用于150kW逆變器。該電源模塊采用EDT2 IGBT芯片生成技術(shù)，這是一款汽車Micro-Pattern Trench-Field-Stop電池設計。該芯片組具有基準電流密度，還有卓越的短路耐受性以及增強的電壓阻斷性能，可確保逆變器在惡劣的環(huán)境條件下仍能可靠運行。EDT2 IGBT還具有出色的輕負載功率損耗，有助于顯著提高系統(tǒng)在實際周期內(nèi)的效率。該芯片組優(yōu)化用于10kHz范圍內(nèi)的開關(guān)頻率。
從價值量來看，IGBT約占新能源汽車電控系統(tǒng)成本的37%，是電控系統(tǒng)中最核心的電子器件之一，且電動化程度越高，IGBT 在車中所占比例越高。預計到2025年全球新能源汽車IGBT規(guī)模接近40億美元，5年CAGR高達39.4%，市場空間巨大。
從當前市場來看，由于新能源汽車需求端的爆發(fā)與供給端擴產(chǎn)周期的錯配，導致目前整個汽車IGBT都處于嚴重供不用求的狀態(tài)。
早在2022年，業(yè)內(nèi)就傳出安森美深圳工廠2023年產(chǎn)能已全部售罄，為了防止交不上貨的風險，公司已停止接受新的IGBT訂單。這一舉動足以說明當下車規(guī)IGBT行情的火熱。有供應鏈廠商表示，目前車規(guī)IGBT的供需缺口在2023年看不到任何緩解的跡象。
硅基器件受限，SiC功率器件突圍
長期以來，車規(guī)級功率半導體主要采用硅基材料，但受自身性能極限限制，硅基器件的功率密度難以進一步提高，硅基材料在高開關(guān)頻率及高壓下?lián)p耗大幅提升。
對此，以SiC（碳化硅）與GaN（氮化鎵）為代表的第三代寬禁帶半導體材料逐漸興起，適用于大功率、高頻率與惡劣的工作環(huán)境，解決硅基器件痛點。
其中，SiC作為新一代寬禁帶半導體材料，具有大禁帶寬度、高擊穿電場、高飽和電子漂移速度、高熱導率、高抗輻射等特點，適合制造高溫、高壓、高頻、大功率的器件。因此，業(yè)內(nèi)對SiC功率元器件在電動汽車上的應用寄予厚望。
在應用場景方面，SiC功率器件主要用于電驅(qū)、OBC和DC/DC轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域，能夠顯著降低電力電子系統(tǒng)的體積、重量和成本，提高功率密度。微型輕量化的SiC器件還可以減少因車輛本身重量而導致的能耗。
以主驅(qū)逆變器中的應用為例，碳化硅MOSFET相比Si-IGBT具有哪些優(yōu)勢呢？
- 碳化硅MOSFET相比硅基IGBT功率轉(zhuǎn)換效率更高，電動汽車續(xù)航距離可延長5- 10%，即在同樣續(xù)航里程的情況下可削減電池容量，降低電池成本；
- 碳化硅MOSFET的高頻特性可使逆變器線圈、電容小型化，電驅(qū)尺寸可大幅減少，可聽噪聲的降低能減少電機鐵損；
- 碳化硅MOSFET可承受更高電壓，在電機功率相同的情況下可以通過提升電壓來降低電流強度，從而使得束線輕量化，節(jié)省安裝空間。
圖源：天風證
雖然當前碳化硅器件單車價格高于Si-IGBT，但上述優(yōu)勢可降低整車系統(tǒng)成本。2018年特斯拉在Model3中首次將Si IGBT替換為SiC器件，使得汽車逆變器效率大幅提升。憑借優(yōu)良特性，SiC功率器件正在受到各大車廠的追捧，目前全球有超過20家車企開始使用SiC功率器件。
對此，行業(yè)領(lǐng)先企業(yè)Wolfspeed擴展AEC-Q101車規(guī)級SiC MOSFET推出650V E3M系列產(chǎn)品。
據(jù)介紹，Wolfspeed新款車規(guī)級E3M 650V、60mΩ MOSFET系列幫助設計人員滿足EV車載充電機應用和高壓DC/DC轉(zhuǎn)換器。采用Wolfspeed第三代 SiC MOSFET技術(shù)，E3M0060065D與E3M0060065K的特色為高溫導通電阻低、可高速開關(guān)且電容小、體二極管反向恢復特性好、最大結(jié)溫高達175°C。
與市場上現(xiàn)有的 650V SiC MOSFET相比，Wolfspeed E3M 650V SiC MOSFET 技術(shù)能讓系統(tǒng)因損耗更低而在運行時溫度更低，從而在終端應用中顯著提高效率。更低的損耗同時使得器件溫度下降，可降低系統(tǒng)級熱管理成本并提高系統(tǒng)級功率密度。
800V高壓超充時代，SiC器件加速滲透
與此同時，隨著消費者對于充電效率和時間的敏感，更長的續(xù)航里程是客戶的主要需求之一，行業(yè)廠商紛紛在積極推進電動汽車高壓化進程，絕大多數(shù)主流車型目前將800V列為首選，預計到2025年整個800V+SiC方案滲透率將超過15%。
與之對應的是，如果電動汽車升級至800V電壓架構(gòu)，則需要配套升級至1200V碳化硅MOSFET器件。
對此，安森美半導體去年推出的 NTBG014N120M3P碳化硅MOSFET是其1200V M3P平面SiC MOSFET系列的一部分。
據(jù)了解，安森美MOSFET優(yōu)化用于電源應用，該平面技術(shù)可在柵極處于負柵極電壓驅(qū)動和關(guān)斷尖峰狀態(tài)下可靠工作，該系列由18V柵極驅(qū)動時可提供最佳性能，但也可與15V柵極驅(qū)動配合使用。適用于電動汽車充電站，憑借耐高壓、耐高溫和高頻等優(yōu)越的物理特性，碳化硅 MOSFET 有望在新能源汽車800V 高壓超充時代替代硅基IGBT。
NTBG014N120M3P應用電路
近日，安森美又推出最新一代1200V EliteSiC 碳化硅M3S器件，助力電力電子工程師實現(xiàn)更出色的能效和更低系統(tǒng)成本。全新產(chǎn)品系列包括有助于提高開關(guān)速度的EliteSiC MOSFET和模塊，以適配越來越多的800V電動汽車車載OBC和電動汽車直流快充、太陽能方案以及能源儲存等能源基礎設施應用。
該產(chǎn)品組合還包括采用半橋功率集成模塊（PIMs）的新型EliteSiC M3S器件，具有領(lǐng)先業(yè)界的超低Rds（on），采用標準F2封裝，旨在提供高功率密度，適用于能源基礎設施、電動汽車直流快速充電和不間斷電源。車規(guī)級1200V EliteSiC MOSFET專用于高達22kW的大功率OBC和高壓至低壓的DC-DC轉(zhuǎn)換器。M3S技術(shù)專為高速開關(guān)應用而開發(fā)，具有領(lǐng)先同類產(chǎn)品的開關(guān)損耗品質(zhì)因數(shù)。
目前，安森美的半導體產(chǎn)品應用在汽車中的多個領(lǐng)域，包括車載充電器、高壓負載電池管理、DC-DC轉(zhuǎn)換器、高壓動力總成、主驅(qū)逆變、48V皮帶傳動起動機-發(fā)電機(BSG)、ADAS、信息娛樂、車門、座椅控制等。
在800V電壓平臺下，SiC功率器件憑借上述特點和優(yōu)勢，正在成為電動汽車性能致勝的一大依賴技術(shù)，SiC芯片供應商正成為車企爭相綁定的“寵兒”。
從整體市場布局看，目前碳化硅器件尤其是車用碳化硅功率器件市場主要由海外大廠掌控，包括意法半導體、英飛凌、Wolfspeed、羅姆及安森美等頭部IDM廠商深耕車用市場多年，跨足上游材料到加工器件等產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)，并且與各車企及Tier1廠商及車企合作緊密，市場優(yōu)勢明顯。
根據(jù)產(chǎn)業(yè)鏈調(diào)研數(shù)據(jù)，預計SiC市場規(guī)模未來幾年快速提升，2025年全球新能源汽車用SiC功率器件規(guī)模達37.9億美元，5年CAGR為64.5%；國內(nèi)市場預計達21億美元，5年CAGR為72.6%，中國將成為全球新能源汽車SiC器件主要市場。
然而，本土巨大的市場空間當前主要由海外廠商掌控，國內(nèi)碳化硅產(chǎn)業(yè)仍處于起步階段，與國際水平仍存在差距。其中，襯底環(huán)節(jié)國產(chǎn)廠商包括山東天岳、天科合達等，外延廠商包括瀚天天成、東莞天域等，設計廠商包括上海瞻芯電子、上海瀚薪等，IDM廠商包括泰科天潤、中科漢韻、三安集成、華潤微、士蘭微等。
雖然國內(nèi)碳化硅各環(huán)節(jié)目前已實現(xiàn)全產(chǎn)業(yè)鏈布局，但國產(chǎn)化率仍較低，未來有望伴隨內(nèi)需增長而實現(xiàn)提升。
結(jié)語
當前，隨著新能源汽車產(chǎn)業(yè)的變革和加速爆發(fā)，車規(guī)級半導體器件上車結(jié)構(gòu)正在快速發(fā)生改變。其中，作為最大的增量產(chǎn)品，功率器件約占每輛車半導體價值量增量的80%以上，正迎來“量價齊升”的快速發(fā)展階段。
在這個過程中，汽車功率器件也正在歷經(jīng)從硅基MOSFET向IGBT以及SiC器件的變遷，以材料升級引領(lǐng)汽車功率器件性更新迭代，進而推動新能源汽車不斷取得新突破，讓未來充滿無限可能。
上文提到，英飛凌的FS820R08A6P2B是一款六單元IGBT模塊，優(yōu)化用于150kW逆變器。采用EDT2 IGBT芯片生成技術(shù)，使其具有基準電流密度，還有卓越的短路耐受性以及增強的電壓阻斷性能，可確保逆變器在惡劣的環(huán)境條件下仍能可靠運行。EDT2 IGBT還具有出色的輕負載功率損耗，有助于顯著提高系統(tǒng)在實際周期內(nèi)的效率。
Wolfspeed推出650V E3M系列車規(guī)級SiC MOSFET產(chǎn)品E3M0060065D，其特色為高溫導通電阻低、可高速開關(guān)且電容小、體二極管反向恢復特性好、最大結(jié)溫高達175°C，能夠幫助設計人員滿足EV車載充電機應用和高壓DC/DC轉(zhuǎn)換器。
安森美半導體推出的 NTBG014N120M3P是其1200V M3P平面SiC MOSFET系列的一部分，適用于電動汽車充電站，憑借耐高壓、耐高溫和高頻等優(yōu)越的物理特性，SiC MOSFET 有望在新能源汽車800V 高壓超充時代替代硅基IGBT。
除此之外，行業(yè)廠商還正在陸續(xù)推出更優(yōu)化的產(chǎn)品，助力工程師實現(xiàn)更出色的能效和更低的系統(tǒng)成本。
綜上，在新能源汽車產(chǎn)業(yè)的帶領(lǐng)下，功率器件市場潛力較大，相關(guān)行業(yè)廠商應把握好這一市場機遇和時間窗口。而艾睿電子作為行業(yè)領(lǐng)先的電子產(chǎn)品及相關(guān)服務的供應商，上游資源豐富，與Infineon、onsemi、ST、Renesas、ROHM、Wolfspeed等國際原廠深度合作，確保客戶擁有一個穩(wěn)健性和韌性都很高的供應鏈。
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