功率半导体对汽车的重要性
近5年,全球汽车产量从2012年的8213万辆,增长至2017年的9704万辆。汽车行业的巨大潜力,让汽车半导体,特别是功率半导体的成为市场热点。
功率半导体需求增加
汽车中用量最多的半导体器件主要是三大类:传感器,MCU和功率半导体。
这三类中,MCU的市场份额最大,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、底盘安全等系统当中。
新能源汽车新增半导体用量中大部分是功率半导体。在传统汽车中,功率半导体主要应用在启动与发电、安全等领域,占传统汽车半导体总量的20%,单车价值约为60美元。
由于新能源汽车普遍采用高压电路,当电池输出高电压时,需要频繁进行电压变换,这时电压转换电路(DC-DC)用量大幅提升,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也有大幅增加。以上这些极大带动了汽车电子系统对功率器件需求的增加。
根据麦肯锡的统计,纯电动汽车的半导体成本为704美元,比传统汽车的350美元增加了1倍,其中功率器件成本高达387美元,占55%。纯电动汽车相比传统汽车新增的半导体成本中,功率器件成本约为269 美元,占新增成本的76%。
IGBT增长突出
功率半导体是电动车成本占比仅次于电池的第二大核心零部件。新能源电动车动力产生和传输过程与汽油发动机有较大差异,需要频繁进行电压变换和直流-交流转换。加之纯电动车对续航里程的高需求,使得电能管理需求更精细化,这些对IGBT、MOSFET、二极管等功率分立器件的需求远高于传统汽车。而作为新兴功率器件,IGBT在汽车需求的带动下,将出现爆发式增长。
随着新能源汽车的普及,IGBT作为重要的功率器件,受到了广泛的关注。IGBT 模块在电动汽车中发挥着至关重要的作用,是电动汽车及充电桩等设备的核心部件。有统计显示,IGBT模块占电动汽车成本将近10%,占充电桩成本约20%。
车用充电机
电动汽车车载充电机(OBC)主要用于为电动车动力电池安全、自动充满电,依据电池管理系统(BMS)提供的数据,充电机能动态调节充电电流或电压参数,执行相应的操作,完成充电过程。
车载充电机作为一个电力电子系统,主要由功率电路和控制电路组成。对于功率电路,由变压器和功率管组成的DC/DC变换器是其重要组成部分。对于控制电路,它的核心是控制器,用来实现与BMS的CAN通信,并控制功率电路按照三段式充电曲线给锂电池组充电。当车载充电机接上交流电后,并不是立刻将电能输出给电池,而是通过BMS电池管理系统,首先对电池的状态进行采集分析和判断,进而调整充电机的充电参数。
随着电动车的普及,车载充电机的用量越来越大,对相关功率器件和电源管理IC的需求量很大,而这些在传统的燃油动力车中是没有的,会吞食大量的功率半导体器件,其市场发展前景不容忽视。
市场格局
Infineon预估,随着全球汽车产量增长,同时汽车电动化、智能化、舒适化趋势带来汽车中单机功率半导体价值量提升,共同驱动汽车对功率半导体的需求,未来3~5年增速约为8%。
ON Semi报告显示,2016年全球汽车功率半导体市场规模约为55亿美元,预计2020年汽车功率半导体市场规模有望达70亿美元。
供需趋于紧张
半导体元器件在汽车中的用量成倍增长,而功率半导体对硅片的消耗量巨大,一般情况下,一片8英寸硅片仅能切割70~80颗IGBT芯片。目前,电动车尚处于渗透率较低的产业化初期,汽车半导体用量需求的成长空间很大,这些将带动硅片产业进入长期、持续的供需紧张状态。
预计到2022年,全球电动车销量有望突破1000万辆,以平均每辆车消耗1/2片硅片计算,对应功率半导体硅片消耗量将达到500万片左右。
今年,进入二季度以来,功率器件延续供需紧张局面。来自IC分销商富昌电子的市场报告数据显示,MOSFET、TVS、肖特基二极管等功率器件产品的交期普遍延长,行业呈现出明显的供不应求态势,这其中,来自汽车用的功率器件是重要组成部分。
一般情况下,MOSFET、整流管和晶闸管的交货周期在8~12周左右,但现在部分MOSFET、整流管和晶闸管交期已延长到20~40周,而低压MOSFET交期接近或超过40周,其中,汽车功率器件的货期问题尤为显著,IGBT的交期最高已经达到52周。
中国市场
中国是新能源汽车最重要的市场之一, 中国新能源车销售量占全球销量一半以上。
对比汽车半导体的竞争格局和国外厂商的发展史,中国国内厂商主要有两种发展路径:一是在传统芯片领域通过收购获得技术和客户资源;二是在新能源汽车功率半导体和智能汽车芯片上发力。
在传统汽车电子半导体市场,国外厂商凭借技术优势和稳定的配套关系掌握着主动权,国内厂商难以取得突破,对外收购成为了国内厂商涉入汽车电子半导体领域的捷径,除了安世半导体,四维图新、旷达科技等厂商,通过收购快速进入了汽车半导体领域。
电动化为汽车半导体市场带来新增需求的同时,也为国内汽车半导体厂商提供了不少机遇。目前,国内厂商已经开始在新能源汽车功率半导体和智能汽车芯片上布局,功率半导体方面的代表厂商包括比亚迪、中国中车、士兰微电子等,而智能汽车芯片方面的代表企业有寒武纪和地平线等。
总体来看,中国本土的汽车功率半导体厂商还比较弱,市占率比较低,如果不通过并购获得国外优质资源的话,短时间内难以与国际大厂形成真正的竞争关系,还需要不断成长,道阻且长。
结语
汽车市场发展方兴未艾,汽车的各大系统组成对半导体元器件的种类和数量需求都很旺盛,这其中,功率半导体表现将尤为突出,凯风创投天使投资的陆芯科技作为聚焦于功率半导体设计和应用的科技公司,矢志于将公司更稳、更快、更好的发展,推动整个行业良性发展,做令中国人骄傲的功率半导体品牌,影响国内外。