【導(dǎo)讀】在當(dāng)前全球經(jīng)濟(jì)衰退和整個(gè)半導(dǎo)體行業(yè)下行周期背景下，汽車半導(dǎo)體似乎成為了一個(gè)逆勢(shì)的窗口產(chǎn)業(yè)。與此同時(shí)，隨著汽車電動(dòng)化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化、共享化等新四化發(fā)展趨勢(shì)，以及新能源汽車產(chǎn)銷兩旺的持續(xù)景氣市場(chǎng)，汽車電子迎來結(jié)構(gòu)性變革機(jī)遇。
新能源汽車（混合動(dòng)力汽車或純電動(dòng)汽車等）半導(dǎo)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(dòng)機(jī)、油箱或變速器，“三電系統(tǒng)”即電池、電機(jī)、電控系統(tǒng)取而代之，新增DC-DC模塊、電機(jī)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(dǎo)體在新能源汽車上的應(yīng)用
功率半導(dǎo)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(dòng)功率器件消費(fèi)增長(zhǎng)。
據(jù)英飛凌報(bào)告顯示，新能源汽車中功率半導(dǎo)體器件的價(jià)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(dòng)汽車充電站中加大應(yīng)用，并帶來市場(chǎng)規(guī)模的進(jìn)一步增長(zhǎng)。
Gartner數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，車規(guī)級(jí)功率半導(dǎo)體市場(chǎng)規(guī)模增幅最大，2020年?duì)I收約為61億美元，預(yù)計(jì)到2030年將達(dá)到265億美元，這將是整個(gè)汽車半導(dǎo)體市場(chǎng)中營(yíng)收規(guī)模最大的市場(chǎng)。
功率器件迎來增長(zhǎng)新契機(jī)
硅基MOSFET不可或缺
MOSFET全稱叫做金屬-氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管，屬于功率半導(dǎo)體的基礎(chǔ)器件，具有驅(qū)動(dòng)功率小、開關(guān)速度快，工作頻率高，熱穩(wěn)定性強(qiáng)的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)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(dòng)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(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)，2022年在MOSFET終端應(yīng)用中，汽車領(lǐng)域占比最高為22%，另外在PC電腦和存儲(chǔ)設(shè)備占比達(dá)19%，工業(yè)比例為14%。
實(shí)際上，在進(jìn)入新能源汽車時(shí)代之前，MOSFET就已經(jīng)應(yīng)用于燃油車中涉及電動(dòng)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(dòng)化開啟，MOSFET需求激增。新能源汽車以電制動(dòng)的方式使得中高壓MOEFET作為DC-DC、OBC等電源重要組成部分應(yīng)用于汽車動(dòng)力域以完成電能的轉(zhuǎn)換與傳輸，單車用量提升至200個(gè)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(chǔ)器件支撐數(shù)字、模擬等芯片完成功能實(shí)現(xiàn)，使得中高端車型單車MOSFET用量可增至400個(gè)以上。
有數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，到2026年，全球車規(guī)級(jí)MOSFET市場(chǎng)規(guī)模預(yù)計(jì)為30億美元，年復(fù)合增速達(dá)12.25%。
IGBT——車規(guī)級(jí)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(yīng)用，這使得在汽車新四化變革下，車規(guī)級(jí)MOSFET的市場(chǎng)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(fù)合功率半導(dǎo)體器件，兼具BJT的高耐壓和MOSFET高輸入阻抗優(yōu)點(diǎn)，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(dòng)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(dòng)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(dòng)汽車主電機(jī)驅(qū)動(dòng)一般要求功率器件的驅(qū)動(dòng)功率在20-150kW，平均功率約在70kW。由于較高的驅(qū)動(dòng)功率、電壓以及高能耗敏感度，電動(dòng)車廠往往會(huì)采用導(dǎo)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(bǔ)。
在電力驅(qū)動(dòng)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(dòng)電機(jī)；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(shí)現(xiàn)為蓄電池充電與完成所需電壓等級(jí)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?，然后通過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(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)車的充電。
市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)格局方面，目前IGBT主要由歐洲和日本大廠主導(dǎo)，前五大廠商市占率超過60%。據(jù)民生證券統(tǒng)計(jì)，目前英飛凌市占率為32.7%，是IGBT領(lǐng)域的絕對(duì)巨頭。
在應(yīng)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(yīng)用要求。
Infineon Technologies 750V HybridPACK?驅(qū)動(dòng)模塊
據(jù)介紹，Infineon 750V HybridPACK?驅(qū)動(dòng)模塊是一個(gè)超緊湊電源模塊，優(yōu)化用于混合動(dòng)力和電動(dòng)汽車主逆變器應(yīng)用 (xEV)。該系列產(chǎn)品提供基千6種不同封裝的多個(gè)版本，從而實(shí)現(xiàn)了電壓及功率等級(jí)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(jí)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(shè)計(jì)。該芯片組具有基準(zhǔn)電流密度，還有卓越的短路耐受性以及增強(qiáng)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(yùn)行。EDT2 IGBT還具有出色的輕負(fù)載功率損耗，有助于顯著提高系統(tǒng)在實(shí)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(jià)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(dòng)化程度越高，IGBT 在車中所占比例越高。預(yù)計(jì)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(dá)39.4%，市場(chǎng)空間巨大。
從當(dāng)前市場(chǎng)來看，由于新能源汽車需求端的爆發(fā)與供給端擴(kuò)產(chǎn)周期的錯(cuò)配，導(dǎo)致目前整個(gè)汽車IGBT都處于嚴(yán)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(fēng)險(xiǎn)，公司已停止接受新的IGBT訂單。這一舉動(dòng)足以說明當(dāng)下車規(guī)IGBT行情的火熱。有供應(yīng)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(zhǎng)期以來，車規(guī)級(jí)功率半導(dǎo)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(jìn)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(duì)此，以SiC（碳化硅）與GaN（氮化鎵）為代表的第三代寬禁帶半導(dǎo)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(diǎn)。
其中，SiC作為新一代寬禁帶半導(dǎo)體材料，具有大禁帶寬度、高擊穿電場(chǎng)、高飽和電子漂移速度、高熱導(dǎo)率、高抗輻射等特點(diǎn)，適合制造高溫、高壓、高頻、大功率的器件。因此，業(yè)內(nèi)對(duì)SiC功率元器件在電動(dòng)汽車上的應(yīng)用寄予厚望。
在應(yīng)用場(chǎng)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(dǎo)致的能耗。
以主驅(qū)逆變器中的應(yīng)用為例，碳化硅MOSFET相比Si-IGBT具有哪些優(yōu)勢(shì)呢？
- 碳化硅MOSFET相比硅基IGBT功率轉(zhuǎn)換效率更高，電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航距離可延長(zhǎng)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(jī)鐵損；
- 碳化硅MOSFET可承受更高電壓，在電機(jī)功率相同的情況下可以通過提升電壓來降低電流強(qiáng)度，從而使得束線輕量化，節(jié)省安裝空間。
圖源：天風(fēng)證
雖然當(dāng)前碳化硅器件單車價(jià)格高于Si-IGBT，但上述優(yōu)勢(shì)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(duì)此，行業(yè)領(lǐng)先企業(yè)Wolfspeed擴(kuò)展AEC-Q101車規(guī)級(jí)SiC MOSFET推出650V E3M系列產(chǎn)品。
據(jù)介紹，Wolfspeed新款車規(guī)級(jí)E3M 650V、60mΩ MOSFET系列幫助設(shè)計(jì)人員滿足EV車載充電機(jī)應(yīng)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(dǎo)通電阻低、可高速開關(guān)且電容小、體二極管反向恢復(fù)特性好、最大結(jié)溫高達(dá)175°C。
與市場(chǎng)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(yùn)行時(shí)溫度更低，從而在終端應(yīng)用中顯著提高效率。更低的損耗同時(shí)使得器件溫度下降，可降低系統(tǒng)級(jí)熱管理成本并提高系統(tǒng)級(jí)功率密度。
800V高壓超充時(shí)代，SiC器件加速滲透
與此同時(shí)，隨著消費(fèi)者對(duì)于充電效率和時(shí)間的敏感，更長(zhǎng)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(jìn)電動(dòng)汽車高壓化進(jìn)程，絕大多數(shù)主流車型目前將800V列為首選，預(yù)計(jì)到2025年整個(gè)800V+SiC方案滲透率將超過15%。
與之對(duì)應(yīng)的是，如果電動(dòng)汽車升級(jí)至800V電壓架構(gòu)，則需要配套升級(jí)至1200V碳化硅MOSFET器件。
對(duì)此，安森美半導(dǎo)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(yīng)用，該平面技術(shù)可在柵極處于負(fù)柵極電壓驅(qū)動(dòng)和關(guān)斷尖峰狀態(tài)下可靠工作，該系列由18V柵極驅(qū)動(dòng)時(shí)可提供最佳性能，但也可與15V柵極驅(qū)動(dòng)配合使用。適用于電動(dòng)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(shí)代替代硅基IGBT。
NTBG014N120M3P應(yīng)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(shí)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(dòng)汽車車載OBC和電動(dòng)汽車直流快充、太陽能方案以及能源儲(chǔ)存等能源基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)F2封裝，旨在提供高功率密度，適用于能源基礎(chǔ)設(shè)施、電動(dòng)汽車直流快速充電和不間斷電源。車規(guī)級(jí)1200V EliteSiC MOSFET專用于高達(dá)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(yīng)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(dǎo)體產(chǎn)品應(yīng)用在汽車中的多個(gè)領(lǐng)域，包括車載充電器、高壓負(fù)載電池管理、DC-DC轉(zhuǎn)換器、高壓動(dòng)力總成、主驅(qū)逆變、48V皮帶傳動(dòng)起動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)(BSG)、ADAS、信息娛樂、車門、座椅控制等。
在800V電壓平臺(tái)下，SiC功率器件憑借上述特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，正在成為電動(dòng)汽車性能致勝的一大依賴技術(shù)，SiC芯片供應(yīng)商正成為車企爭(zhēng)相綁定的“寵兒”。
從整體市場(chǎng)布局看，目前碳化硅器件尤其是車用碳化硅功率器件市場(chǎng)主要由海外大廠掌控，包括意法半導(dǎo)體、英飛凌、Wolfspeed、羅姆及安森美等頭部IDM廠商深耕車用市場(chǎng)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(chǎng)優(yōu)勢(shì)明顯。
根據(jù)產(chǎn)業(yè)鏈調(diào)研數(shù)據(jù)，預(yù)計(jì)SiC市場(chǎng)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(dá)37.9億美元，5年CAGR為64.5%；國(guó)內(nèi)市場(chǎng)預(yù)計(jì)達(dá)21億美元，5年CAGR為72.6%，中國(guó)將成為全球新能源汽車SiC器件主要市場(chǎng)。
然而，本土巨大的市場(chǎng)空間當(dāng)前主要由海外廠商掌控，國(guó)內(nèi)碳化硅產(chǎn)業(yè)仍處于起步階段，與國(guó)際水平仍存在差距。其中，襯底環(huán)節(jié)國(guó)產(chǎn)廠商包括山東天岳、天科合達(dá)等，外延廠商包括瀚天天成、東莞天域等，設(shè)計(jì)廠商包括上海瞻芯電子、上海瀚薪等，IDM廠商包括泰科天潤(rùn)、中科漢韻、三安集成、華潤(rùn)微、士蘭微等。
雖然國(guó)內(nèi)碳化硅各環(huán)節(jié)目前已實(shí)現(xiàn)全產(chǎn)業(yè)鏈布局，但國(guó)產(chǎn)化率仍較低，未來有望伴隨內(nèi)需增長(zhǎng)而實(shí)現(xiàn)提升。
結(jié)語
當(dāng)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(jí)半導(dǎo)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(dǎo)體價(jià)值量增量的80%以上，正迎來“量?jī)r(jià)齊升”的快速發(fā)展階段。
在這個(gè)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(jí)引領(lǐng)汽車功率器件性更新迭代，進(jìn)而推動(dòng)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(zhǔn)電流密度，還有卓越的短路耐受性以及增強(qiáng)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(yùn)行。EDT2 IGBT還具有出色的輕負(fù)載功率損耗，有助于顯著提高系統(tǒng)在實(shí)際周期內(nèi)的效率。
Wolfspeed推出650V E3M系列車規(guī)級(jí)SiC MOSFET產(chǎn)品E3M0060065D，其特色為高溫導(dǎo)通電阻低、可高速開關(guān)且電容小、體二極管反向恢復(fù)特性好、最大結(jié)溫高達(dá)175°C，能夠幫助設(shè)計(jì)人員滿足EV車載充電機(jī)應(yīng)用和高壓DC/DC轉(zhuǎn)換器。
安森美半導(dǎo)體推出的 NTBG014N120M3P是其1200V M3P平面SiC MOSFET系列的一部分，適用于電動(dòng)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(shí)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(shí)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(chǎng)潛力較大，相關(guān)行業(yè)廠商應(yīng)把握好這一市場(chǎng)機(jī)遇和時(shí)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(wù)的供應(yīng)商，上游資源豐富，與Infineon、onsemi、ST、Renesas、ROHM、Wolfspeed等國(guó)際原廠深度合作，確?？蛻魮碛幸粋€(gè)穩(wěn)健性和韌性都很高的供應(yīng)鏈。
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