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新能源汽车加速爆发,功率器件迎来增长新契机
来源:SupplyFrame 发布:2023/06/27 浏览量:293

在当前全球经济衰退和整个半导体行业下行周期背景下,汽车半导体似乎成为了一个逆势的窗口产业。

在当前全球经济衰退和整个半导体行业下行周期背景下,汽车半导体似乎成为了一个逆势的窗口产业。

 

与此同时,随着汽车电动化、智能化、网联化、共享化等新四化发展趋势,以及新能源汽车产销两旺的持续景气市场,汽车电子迎来结构性变革机遇。

 

新能源汽车(混合动力汽车或纯电动汽车等)半导体含量显著高于传统汽车。

 

相较于燃油车,新能源汽车不再使用汽油发动机、油箱或变速器,“三电系统”即电池、电机、电控系统取而代之,新增DC-DC模块、电机控制系统、电池管理系统、高压电路等核心部件,在这些部件中MOSFET、 IGBT 等功率器件都起着非常关键的作用。

功率半导体在新能源汽车上的应用

 

功率半导体是电子装置中电能转换与电路控制的核心,主要用于改变电子装置中电压和频率、直流交流转换等,汽车行业的变革将拉动功率器件消费增长。

 

据英飞凌报告显示,新能源汽车中功率半导体器件的价值量约为传统燃油车的5 倍以上。另外,功率器件也将在电动汽车充电站中加大应用,并带来市场规模的进一步增长。

 

Gartner数据统计,车规级功率半导体市场规模增幅最大,2020年营收约为61亿美元,预计到2030年将达到265亿美元,这将是整个汽车半导体市场中营收规模最大的市场。

 

功率器件迎来增长新契机

 

硅基MOSFET不可或缺

 

MOSFET全称叫做金属-氧化物半导体场效应晶体管,属于功率半导体的基础器件,具有驱动功率小、开关速度快,工作频率高,热稳定性强的特点,广泛应用于高频率和中低压的小功率方面,起到放大电路或开关电路的作用。

 

MOSFET依照其“通道”的极性不同,可分为“N型”与“P型”的两种类型,通常又称为NMOSFET与PMOSFET,不同类型的MOSFET耐压性能、范围也不一样。

 

在如今兴起的新能源电动车中,硅基MOSFET是不可或缺的存在,是汽车电子中的核心元件。据行业机构预测,2022年在MOSFET终端应用中,汽车领域占比最高为22%,另外在PC电脑和存储设备占比达19%,工业比例为14%。

 

实际上,在进入新能源汽车时代之前,MOSFET就已经应用于燃油车中涉及电动功能的区域,比如辅助刹车、助力转向和座椅等控制系统。

 

随汽车电动化开启,MOSFET需求激增。新能源汽车以电制动的方式使得中高压MOEFET作为DC-DC、OBC等电源重要组成部分应用于汽车动力域以完成电能的转换与传输,单车用量提升至200个以上;此外,随着汽车智能化发展,ADAS、安全、信息娱乐等功能需MOSFET作为电能转换的基础器件支撑数字、模拟等芯片完成功能实现,使得中高端车型单车MOSFET用量可增至400个以上。

 

有数据统计,到2026年,全球车规级MOSFET市场规模预计为30亿美元,年复合增速达12.25%。


IGBT——车规级功率器件最大增量


上文提到,MOSFET无论是在传统燃油车还是新能源汽车上,都有广泛应用,这使得在汽车新四化变革下,车规级MOSFET的市场增量不如IGBT明显。


IGBT,绝缘栅双极型晶体管,是由BJT(双极型晶体管)和MOSFET组成的复合功率半导体器件,兼具BJT的高耐压和MOSFET高输入阻抗优点,被行业称为新能源汽车的CPU,是新能源汽车的核心,直接控制了驱动系统直流、交流电的转换,决定了新能源汽车最大输出功率和扭矩等核心数据。


电动汽车的核心在于高压(200-450V DC)电池及其相关的充电系统。纯电动汽车主电机驱动一般要求功率器件的驱动功率在20-150kW,平均功率约在70kW。由于较高的驱动功率、电压以及高能耗敏感度,电动车厂往往会采用导通压降小、工作电压高的IGBT模块。


可见,相较硅基MOSFET而言,IGBT 更适合高压工作,两者形成互补。


在电力驱动系统中,IGBT用于逆变器模块,将蓄电池的直流电转换为交流电以驱动电机;电源系统中,IGBT用于各种交流-直流与直流-直流变换器中,实现为蓄电池充电与完成所需电压等级的电源变换等功能;此外,汽车充电桩也需要IGBT逆变功率模块将直流电逆变为交流电,然后通过变压耦合及蒸馏单元将其转为不同规格的电流电压,以实现对电动车的充电。


市场竞争格局方面,目前IGBT主要由欧洲和日本大厂主导,前五大厂商市占率超过60%。据民生证券统计,目前英飞凌市占率为32.7%,是IGBT领域的绝对巨头。


在应用方案中,英飞凌推出汽车IGBT模块FS820R08A6P2B,具有匹配发射极控制二极管,符合汽车应用要求。

Infineon Technologies 750V HybridPACK™驱动模块


据介绍,Infineon 750V HybridPACK™驱动模块是一个超紧凑电源模块,优化用于混合动力和电动汽车主逆变器应用 (xEV)。该系列产品提供基千6种不同封装的多个版本,从而实现了电压及功率等级拓展性的最大化,涵盖了200A-900A以及400V-1200V(芯片额定值)功率范围。DSC不仅提供了充分的拓展可能性,更将效率提升25%。


英飞凌在不同电压电流级别提供了不一样的产品组合,包括裸芯片、单管、功率模块和组件等,提供了多种IGBT产品系列。引线型FS820R08A6P2B (820A/750V) 是一款六单元模块,优化用于150kW逆变器。该电源模块采用EDT2 IGBT芯片生成技术,这是一款汽车Micro-Pattern Trench-Field-Stop电池设计。该芯片组具有基准电流密度,还有卓越的短路耐受性以及增强的电压阻断性能,可确保逆变器在恶劣的环境条件下仍能可靠运行。EDT2 IGBT还具有出色的轻负载功率损耗,有助于显著提高系统在实际周期内的效率。该芯片组优化用于10kHz范围内的开关频率。


从价值量来看,IGBT约占新能源汽车电控系统成本的37%,是电控系统中最核心的电子器件之一,且电动化程度越高,IGBT 在车中所占比例越高。预计到2025年全球新能源汽车IGBT规模接近40亿美元,5年CAGR高达39.4%,市场空间巨大。


从当前市场来看,由于新能源汽车需求端的爆发与供给端扩产周期的错配,导致目前整个汽车IGBT都处于严重供不用求的状态。


早在2022年,业内就传出安森美深圳工厂2023年产能已全部售罄,为了防止交不上货的风险,公司已停止接受新的IGBT订单。这一举动足以说明当下车规IGBT行情的火热。有供应链厂商表示,目前车规IGBT的供需缺口在2023年看不到任何缓解的迹象。


硅基器件受限,SiC功率器件突围


长期以来,车规级功率半导体主要采用硅基材料,但受自身性能极限限制,硅基器件的功率密度难以进一步提高,硅基材料在高开关频率及高压下损耗大幅提升。


对此,以SiC(碳化硅)与GaN(氮化镓)为代表的第三代宽禁带半导体材料逐渐兴起,适用于大功率、高频率与恶劣的工作环境,解决硅基器件痛点。


其中,SiC作为新一代宽禁带半导体材料,具有大禁带宽度、高击穿电场、高饱和电子漂移速度、高热导率、高抗辐射等特点,适合制造高温、高压、高频、大功率的器件。因此,业内对SiC功率元器件在电动汽车上的应用寄予厚望。

 

在应用场景方面,SiC功率器件主要用于电驱、OBC和DC/DC转换等领域,能够显著降低电力电子系统的体积、重量和成本,提高功率密度。微型轻量化的SiC器件还可以减少因车辆本身重量而导致的能耗。


以主驱逆变器中的应用为例,碳化硅MOSFET相比Si-IGBT具有哪些优势呢?


- 碳化硅MOSFET相比硅基IGBT功率转换效率更高,电动汽车续航距离可延长5- 10%,即在同样续航里程的情况下可削减电池容量,降低电池成本;


- 碳化硅MOSFET的高频特性可使逆变器线圈、电容小型化,电驱尺寸可大幅减少,可听噪声的降低能减少电机铁损;


- 碳化硅MOSFET可承受更高电压,在电机功率相同的情况下可以通过提升电压来降低电流强度,从而使得束线轻量化,节省安装空间。

图源:天风证

 

虽然当前碳化硅器件单车价格高于Si-IGBT,但上述优势可降低整车系统成本。2018年特斯拉在Model3中首次将Si IGBT替换为SiC器件,使得汽车逆变器效率大幅提升。凭借优良特性,SiC功率器件正在受到各大车厂的追捧,目前全球有超过20家车企开始使用SiC功率器件。


对此,行业领先企业Wolfspeed扩展AEC-Q101车规级SiC MOSFET推出650V E3M系列产品。


据介绍,Wolfspeed新款车规级E3M 650V、60mΩ MOSFET系列帮助设计人员满足EV车载充电机应用和高压DC/DC转换器。采用Wolfspeed第三代 SiC MOSFET技术,E3M0060065D与E3M0060065K的特色为高温导通电阻低、可高速开关且电容小、体二极管反向恢复特性好、最大结温高达175°C。

与市场上现有的 650V SiC MOSFET相比,Wolfspeed E3M 650V SiC MOSFET 技术能让系统因损耗更低而在运行时温度更低,从而在终端应用中显著提高效率。更低的损耗同时使得器件温度下降,可降低系统级热管理成本并提高系统级功率密度。


800V高压超充时代,SiC器件加速渗透


与此同时,随着消费者对于充电效率和时间的敏感,更长的续航里程是客户的主要需求之一,行业厂商纷纷在积极推进电动汽车高压化进程,绝大多数主流车型目前将800V列为首选,预计到2025年整个800V+SiC方案渗透率将超过15%。


与之对应的是,如果电动汽车升级至800V电压架构,则需要配套升级至1200V碳化硅MOSFET器件。


对此,安森美半导体去年推出的 NTBG014N120M3P碳化硅MOSFET是其1200V M3P平面SiC MOSFET系列的一部分。


据了解,安森美MOSFET优化用于电源应用,该平面技术可在栅极处于负栅极电压驱动和关断尖峰状态下可靠工作,该系列由18V栅极驱动时可提供最佳性能,但也可与15V栅极驱动配合使用。适用于电动汽车充电站,凭借耐高压、耐高温和高频等优越的物理特性,碳化硅 MOSFET 有望在新能源汽车800V 高压超充时代替代硅基IGBT。

NTBG014N120M3P应用电路
 

近日,安森美又推出最新一代1200V EliteSiC 碳化硅M3S器件,助力电力电子工程师实现更出色的能效和更低系统成本。全新产品系列包括有助于提高开关速度的EliteSiC MOSFET和模块,以适配越来越多的800V电动汽车车载OBC和电动汽车直流快充、太阳能方案以及能源储存等能源基础设施应用。


该产品组合还包括采用半桥功率集成模块(PIMs)的新型EliteSiC M3S器件,具有领先业界的超低Rds(on),采用标准F2封装,旨在提供高功率密度,适用于能源基础设施、电动汽车直流快速充电和不间断电源。车规级1200V EliteSiC MOSFET专用于高达22kW的大功率OBC和高压至低压的DC-DC转换器。M3S技术专为高速开关应用而开发,具有领先同类产品的开关损耗品质因数。


目前,安森美的半导体产品应用在汽车中的多个领域,包括车载充电器、高压负载电池管理、DC-DC转换器、高压动力总成、主驱逆变、48V皮带传动起动机-发电机(BSG)、ADAS、信息娱乐、车门、座椅控制等。


在800V电压平台下,SiC功率器件凭借上述特点和优势,正在成为电动汽车性能致胜的一大依赖技术,SiC芯片供应商正成为车企争相绑定的“宠儿”。


从整体市场布局看,目前碳化硅器件尤其是车用碳化硅功率器件市场主要由海外大厂掌控,包括意法半导体、英飞凌、Wolfspeed、罗姆及安森美等头部IDM厂商深耕车用市场多年,跨足上游材料到加工器件等产业链各环节,并且与各车企及Tier1厂商及车企合作紧密,市场优势明显。


根据产业链调研数据,预计SiC市场规模未来几年快速提升,2025年全球新能源汽车用SiC功率器件规模达37.9亿美元,5年CAGR为64.5%;国内市场预计达21亿美元,5年CAGR为72.6%,中国将成为全球新能源汽车SiC器件主要市场。
然而,本土巨大的市场空间当前主要由海外厂商掌控,国内碳化硅产业仍处于起步阶段,与国际水平仍存在差距。其中,衬底环节国产厂商包括山东天岳、天科合达等,外延厂商包括瀚天天成、东莞天域等,设计厂商包括上海瞻芯电子、上海瀚薪等,IDM厂商包括泰科天润、中科汉韵、三安集成、华润微、士兰微等。


虽然国内碳化硅各环节目前已实现全产业链布局,但国产化率仍较低,未来有望伴随内需增长而实现提升。

 

结语
  

当前,随着新能源汽车产业的变革和加速爆发,车规级半导体器件上车结构正在快速发生改变。其中,作为最大的增量产品,功率器件约占每辆车半导体价值量增量的80%以上,正迎来“量价齐升”的快速发展阶段。

 

在这个过程中,汽车功率器件也正在历经从硅基MOSFET向IGBT以及SiC器件的变迁,以材料升级引领汽车功率器件性更新迭代,进而推动新能源汽车不断取得新突破,让未来充满无限可能。

 

上文提到,英飞凌的FS820R08A6P2B是一款六单元IGBT模块,优化用于150kW逆变器。采用EDT2 IGBT芯片生成技术,使其具有基准电流密度,还有卓越的短路耐受性以及增强的电压阻断性能,可确保逆变器在恶劣的环境条件下仍能可靠运行。EDT2 IGBT还具有出色的轻负载功率损耗,有助于显著提高系统在实际周期内的效率。

 

Wolfspeed推出650V E3M系列车规级SiC MOSFET产品E3M0060065D,其特色为高温导通电阻低、可高速开关且电容小、体二极管反向恢复特性好、最大结温高达175°C,能够帮助设计人员满足EV车载充电机应用和高压DC/DC转换器。

 

安森美半导体推出的 NTBG014N120M3P是其1200V M3P平面SiC MOSFET系列的一部分,适用于电动汽车充电站,凭借耐高压、耐高温和高频等优越的物理特性,SiC MOSFET 有望在新能源汽车800V 高压超充时代替代硅基IGBT。

 

除此之外,行业厂商还正在陆续推出更优化的产品,助力工程师实现更出色的能效和更低的系统成本。

 

综上,在新能源汽车产业的带领下,功率器件市场潜力较大,相关行业厂商应把握好这一市场机遇和时间窗口。而艾睿电子作为行业领先的电子产品及相关服务的供应商,上游资源丰富,与Infineon、onsemi、ST、Renesas、ROHM、Wolfspeed等国际原厂深度合作,确保客户拥有一个稳健性和韧性都很高的供应链。

 

(本文章由SupplyFrame提供, 对于文章中相关的分析、市场预测等信息仅供参考, 艾睿电子不对任何文章内的资料因不充分、不完整或未能提供特定资料产生的任何损失承担任何责任。)

功率器件 汽车电子
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