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2018-2019汽车功率半导体行业研究
2019-04-24 20:48:15· 来源：佐思汽车研究
功率半导体器件是半导体的一个重要分支，功率半导体器件可以分为电源管理IC、功率模组和功率分立器件三大类。汽车半导体可以分为五大类，分别是功率器件（Power
功率半导体器件是半导体的一个重要分支，功率半导体器件可以分为电源管理IC、功率模组和功率分立器件三大类。
汽车半导体可以分为五大类，分别是功率器件（Power）、传感器（Sensor）、处理器（Processor)、ASSP（主要是Connectivity和Amplifier）、Logic和其他。汽车中使用最多的半导体产品分别是传感器、MCU和功率半导体。其中MCU占比最高，其次是功率半导体，功率半导体主要运用在动力控制系统、照明系统、燃油喷射、底盘安全系统中。
传统汽车中，功率半导体主要应用于启动、发电和安全领域，新能源汽车普遍采用高压电路，当电池输出高压时，需要频繁进行电压变化，对电压转换电路需求提升，此外还需要大量的DC-AC逆变器、变压器、换流器等，这些对IGBT、MOSFET、二极管等半导体器件的需求量很大。
根据英飞凌的统计，平均一辆传统燃油车使用的半导体器件价值为355美元，而纯电动汽车/混合动力汽车使用的半导体器件价值为695美元，几乎增加了一倍。其中功率器件增加最为显著，一辆传统燃料汽车使用动力系统功率半导体器件为17美元，而一辆纯电动汽车/混合动力汽车上功率半导体器件价值为265美元，增加了近15倍。
平均每辆汽车半导体使用金额（单位：美元）
来源：英飞凌
IGBT具有高频率、高电压、大电流，易于开关等优良性能。IGBT模块作为核心高压控制开关组件，其成本占据电机控制器成本的40-50%，占据新能源汽车整车成本的7-10%左右，直流充电桩20-30%的原材料成本是IGBT。
目前中国IGBT行业已经能够具备一定的产业链协同能力。如设计方面有中科君芯、西安芯派等，制造方面，中芯国际、华润上华、上海先进、华虹等，模组环节有中车西安永电、 爱帕克、南京银茂等。IDM厂商有比亚迪，中车时代等。但中国IGBT芯片依然有进90%依赖进口，高端产品基本被欧美、日本企业垄断，如英飞凌、三菱、富士电机、东芝、ABB等。
国外IGBT 技术起步较早，在设备、材料、芯片设计和晶圆制造上已经构筑了较高的壁垒，国产IGBT芯片的主要工艺设备和衬底片，乃至高端芯片都必须从国外采购。而封装层面上，国内产品的功率密度、散热性能、可靠性以及模块设计等指标也严重落后于国际IGBT厂商。
2009年比亚迪发布IGBT1.0技术，中间历经2.0、2.5的层层迭代。2018年12月11日，比亚迪正式发布了IGBT4.0技术，在诸多关键指标上已优于当前市场主流产品，例如电流输出能力高15%，综合损耗降低20%，打破了IGBT受制于国外的局面。
在电池容量成为电动车瓶颈问题的背景下，提高充电功率和效率，节省行车过程中的能耗等问题是提升电动车续航能力的有效途径，因此，常规车用硅基功率器件均具备被第三代半导体功率器件替代的可能性。
SiC是第三代半导体材料的代表。由于SiC具有高耐压、低损耗、高效率等特性，可以让功率器件突破硅的限制，带来更好的导电性和电力性能。这些特性的提高，正与汽车电子、工业自动化以及新能源等领域的需求相契合。因而，各大厂商纷纷在SiC上布局。
2018年，Tesla Model 3已经把碳化硅MOSFET用到了其主驱动控制器上面，来降低传导和开关损耗，特斯拉Model3的逆变器采用了意法半导体制造的SiC MOSFET，每个逆变器包括了48个SiC MOSFET。Model3的车身比 Model S 减小了20%。随着整车企业越来越多的在功率电子里面采用碳化硅器件，未来于主逆变器、车载充电器(OBC)，以及直流-直流(DC-DC)转换器等部件都会有很大的改变。
此外，SiC基功率器件在快速大功率充电方面同样优势明显，预计2017至2023年均复合增速达到21%。2018年，Delta（台达）联手通用等研发400kW超快速充电系统（XFC）使用SiC功率半导体器件，传输效率可达到96.5%，每分钟充电可行驶29公里。与之相比，特斯拉超充每分钟10公里，而保时捷承诺为Taycan电动跑车充电效率为每分钟约20公里。
2017年全球SiC功率半导体市场总额达3.99亿美元。预计到2023年市场总额将达16.44亿美元，年复合增长率26.6%。从产业链角度看，SiC包括单晶衬底、外延片、器件设计、器件制造等环节。美国居于领导地位，占有全球SiC产量的70%-80%。
SiC单晶衬底企业主要有Cree、DowCorning、SiCrystal、II-VI、新日铁住金、Norstel等；外延片企业主要有DowCorning、II-VI、Norstel、Cree、罗姆、三菱电机、Infineon等；器件方面相关主要企业包括，Infineon、Cree、罗姆、意法半导体等。
中国企业在单晶衬底方面，以4英寸为主，目前已经开发出了6英寸导电性SiC衬底和高纯半绝缘SiC衬底。山东天岳、天科合达、河北同光、中科节能均已完成6英寸衬底的研发，中电科装备研制出6英寸半绝缘衬底。
外延片方面，中国瀚天天成、东莞天域半导体、国民天成均可供应4-6英寸外延片。
2018年12月，比亚迪宣布已投入巨资布局第三代半导体材料SiC，并将整合材料（高纯碳化硅粉）、单晶、外延、芯片、封装等SiC基半导体全产业链，目的在于降低SiC器件的制造成本，加快其在电动车领域的应用。
比亚迪表示已经成功研发了SiC MOSFET，有望于2019年推出搭载SiC电控的电动车。预计到2023年，比亚迪将在旗下的电动车中，实现SiC基车用功率半导体对硅基IGBT的全面替代，将整车性能在现有基础上再提升10%。
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