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2022年功率半导体行业研究报告(附下载)
发布时间:2022-09-20 09:10:30   来源:im电竞平台 作者:im电竞首页    点击:4

  

  电动车进入发展快车道,车载半导体景气度提升。据Ev Volumes, 全球2021年新能源车销量694万辆,同比增长106%,尽管2022年欧 洲新能源车销量疲软,但2022年1-6月,国内新能源汽车销量260万 辆,同比均增长1.1倍。由于国内新能源车持续高景气,Ev Volumes 预计2022年全球电动车销量1070万辆,同比增长54.3%。

  随着电动车的繁荣发展,国际半导体龙头供应商的汽车业务营收创新 高,其中功率半导体龙头英飞凌的汽车相关业务在2021年实现约 37%的同比增长,代工厂龙头台积电的汽车业务同比提升约51%。

  电动车半导体单车价值量激增,逆变器用功率半导体占比最高。据英飞凌,电动车的半导体单车价值量较燃油车增长约950美 元,其中约900美元来自功率半导体的使用,而逆变器使用的功率半导体,占单车功率半导体总价值量75%左右。

  电机和逆变器是电动车新增核心需求,功率器件(IGBT和碳化硅MOS)是逆变器核心器件,也是车辆性能的主要保证方式之 一。和计算机上处理数字信号的CPU类似,功率器件是电动车在功率上的“CPU”。CPU依靠软件实现信号流在0和1之间转换。功率器件依靠变频控制软件,处理功率流的开和关。

  全球功率半导体持续供不应求。主要功率半导体供应商陆续宣布涨价,毛利率得到显著的提升。受供需关系影响,当前供应商 进入主动补库存阶段,季度收入/库存比例维持在正常水位。2021年行业经历的缺货行情仍在延续,头部供应商明显感受到供 不应求的产能紧张状况。据英飞凌,包括尚未确认的订单在内,2022年1-3月英飞凌积压的订单金额从去年四季度的310亿欧元 增长了19.4%至370亿欧元,这些订单当中超过五成是汽车相关产品,75%的订单在未来12个月内才能交货,积压订单显然远超 出英飞凌的交付能力。

  新能源电气系统垂直整合趋势愈发明显。新能源电气系统在整车安全与性能表现方面起到关键作用,主机厂掌控意愿较高, 以规避潜在技术缺陷与产能短缺风险。同时,相关技术仍处于发展阶段,垂直整合带来的独家供应能够构建主机厂新的核心 竞争力,且更高的产品价值与利润也成为重要诱因。

  目前国内OEM出于国产化替代,供应链稳定的考量愿意培养自主半导体产业,投资或成立合资公司共同探索车规级半导体 技术和质量达标方案,或者自建模块产线,将品质掌控在自己手中。OEM和Tier供应商对功率模块的设计和制造进行完整 的评价测试和长期管理培养后,将方便采用部分本土的功率芯片,从而在成本控制上找到合适的方案。

  功率半导体器件(Power Electronic Device)又称为电力电子器件和功率电子器件,是指可直接用于处理电能的主电路中 ,实现电能的变换或控制的电子器件,其作用主要分为功率转换、功率放大、功率开关、线路保护和整流等。

  功率半导体大致可分为功率半导体分立器件(Power Discrete)(包括功率模块)和功率半导体集成电路(Power IC)两大类 。按照器件结构,现有的功率半导体分立器件可分二极管、功率晶体管、晶闸管等,其中功率晶体管分为双极性结型晶体 管(BJT)、结型场效应晶体管(JFET)、金属氧化物场效应晶体管(MOSFET)和绝缘栅双极晶体管(IGBT)等。

  我国在功率二极管、功率三极管、晶闸管等分立器件大部分已实现国产化。MOSFET、IGBT、SiC等高端分立器件产品较大程 度依赖进口。

  耗散功率大于5瓦的晶体管一般为功率器件。我国耗散功率≥1瓦晶体管的进出口规模逐年增长,且进口规模增速大于出口规模 。IGBT属于功率晶体管中技术壁垒较高的产品,我国起步较晚,还存在较广阔的进口替代空间。

  经过几十年的发展,IGBT头部供应商英飞凌不断改进芯片结构,将IGBT技术做到了第七代,IGBT1和IGBT2已经不被英飞凌建 议使用,目前使用最广泛的是IGBT4,国内部分供应商目前能在第四代进行量产。IGBT的发展方向依然是提高耐压、增加电 流、扩大功率、提升最高工作结温。

  IGBT具有导通电阻小、开关速度快、工作频率高等特点,可以在各种电路中提高功率转换、传送和控制的效率,实现节 约能源、提高工业控制水平的目的,广泛应用于电机节能、轨道交通、智能电网、航空航天、家用电器、汽车电子、新能 源发电、新能源汽车等领域。

  电动车成为驱动IGBT需求的主要动力。据比亚迪半导招股书,从2020年IGBT模块全球应用占比来看,工业控制占比 33.5%,是目前IGBT最大的应用领域,新能源汽车占比14.2%。未来,汽车电动化、智能化推动车规级IGBT成为增长最 快的细分领域,远超行业平均增速。

  受益于国内新能源车的高速发展,据华经产业研究院,新能源车IGBT在2020年已成为中国IGBT第一大应用领域,占比约 30%。工业控制、消费电子(家电)与新能源发电市场分别占比27%、22%、11%,为中国新能源汽车外前三大应用领 域。

  2022年国内新能源车呈现市场下 沉的趋势,A级车型以下的销量占 比有所提升,但A级以上的车型需 要使用更大功率的IGBT。产品附 加值高,技术壁垒高的大功率 IGBT仍然是未来国产替代的主要 方向。

  从主机厂的角度来观察国内IGBT 市场规模,国内高端车型的主机厂 主要包括特斯拉、理想、蔚来、小 鹏等,电机功率在180kw以上。特斯拉使用的碳化硅和IGBT模块 主要由意法半导体、英飞凌提供, 国内技术上还有差距。比亚迪的驱 动IGBT大部分由比亚迪半导提供。保守测算,短期内国产替代的市场 在180kw以下,再除去比亚迪的 市场,2021年国内供应商主要面 对的车载驱动IGBT的市场规模约 为25亿元。

  目前,为满足电动汽车的功率需求,牵引逆变器中一般使用多芯片并联的功率模块。可通过提高芯片电流密度,和改进封装工 艺,来实现模块功率密度以及模块电、热性能的综合提升。

  在电动汽车应用领域,IGBT芯片性能优化的思路基本为:在沟槽精细化的基础上,采用薄片工艺并优化背面缓冲层设计,再 结合优良的终端结构提高芯片耐压等级;将IGBT芯片和反并联二极管整合于一体,形成RC-IGBT结构,进一步提升芯片电流 密度;芯片上集成温度/电流传感器,门极驱动电阻以及RC芯片,有利于提高芯片长期运行的可靠性。

  在封装层面,为了实现高可靠性、高功率密度、成本优势,目前汽车厂商主流的几种模块应用解决方案,主要分为:分立器 件 ;1 in 1;2 in 1 ;6 in 1。虽然6 in 1模块对汽车来说并不是最优设计,但由于其设计应用的方便性,在短期内还将占据 主流,技术改进主要聚焦在散热技术和可靠性。

  国产车载IGBT拐点已至,实现市占率的快速上升。据爱集微,2022年一季度国内出货量前五的功率器 件供应商中,已经有三家中国本土企业入列,分别为 斯达半导、比亚迪半导体、时代电气,三家合计装机 量占比约40%。

  比亚迪半导体具备产业下游的支持,随着比亚迪新能 源车的销量增长,比亚迪半导体的IGBT高速发展。斯达半导生产的应用于主电机控制器的车规级IGBT 模块持续放量,2021年合计配套超过60万辆新能源 汽车,其中A级及以上车型配套超过15万辆。时代电 气具备高压IGBT的丰富经验,并且拥有中车集团的 下游支持,2022年新能源车IGBT预计年内交付的在 手订单70万台。

  与硅(Si)相比,碳化硅(SiC)是一种介电击穿强度更大、饱和电子漂移速度更快且热导率更高的半导体材料。因此,与硅 器件相比,当用于半导体器件中时,碳化硅器件可以提供高耐压、高速开关和低导通电阻。鉴于该特性,其将成为有助于降低 能耗和缩小系统尺寸的下一代低损耗器件。据东芝半导,通过更改2kVA单相逆变器产品的开关元件(将IGBT替换为SiC MOSFET),额定运行期间每个器件的损耗降低了约41%。这主要归功于SiC MOSFET卓越的开关能力。

  除了降低损耗外,采用SiC MOSFET还具有诸多优点。SiC MOSFET在高温环境下具有优异的工作特性,与IGBT相比,可简化 现有散热措施。此外,由于开关损耗非常低,系统可在比IGBT开关可支持频率更高的频率下运行。如能提高开关频率,就可 以降低外围器件(线圈和电容器)的使用,从而节省空间和成本,并使产品具有更大的竞争优势。

  随着越来越多新能源车型采用碳化硅器件,显示出碳化硅对传统车用硅基IGBT的替代已经逐渐展开。特斯拉上海工厂和比亚迪 在其电机控制器的逆变器中已经采用了SiC MOSFET的芯片作为核心的功率器件。丰田、大众、本田、宝马、奥迪等汽车企业 也都将SiC功率器件作为未来新能源汽车电机驱动系统的首选解决方案。

  国内SiC供应商中,比亚迪半导体实现了SiC三相全桥模块在新能源汽车电机驱动控制器中大批量装车。2022年,国内造车新势 力蔚来ET7、小鹏G9均采用了碳化硅器件。国内车厂的SiC MOSFET渗透率有望加速提升,随着搭载高功率电机的新能源车销 量增长,车载SiC MOSFET需求将持续增长。

  假设特斯拉品牌效应对销量的带动作用渐近瓶颈,国产品牌占比逐步提升,国内本土品牌电车(电机功率高于180kw)销量于 2025年达到2022年国内整体销量水平,2022-2025年销量增速分别为52.9%、40%、30%、20%;

  国产多款主流高端车型于2022年开始搭载碳化碳MOSFET,碳化硅的渗透率有望加速,假设渗透率分别为20%、30%、40%、 50%;单车电驱动SiC价值量每年下降5%。

  据我们测算,至2025年,本土主机厂对电驱SiC需求空间约98.84亿元,2021-2025年复合增长率约92%。

  以碳化硅材料为衬底的产业链主要包括碳化硅衬底材料的制备、外延层的生长、器件制造以及下游应用市场。在碳化硅衬底上, 主要使用化学气相沉积法(CVD法)在衬底表面生成所需的薄膜材料,即形成外延片,进一步制成器件。

  SiC器件的制造成本中,SiC衬底成本占比50%,SiC外延的成本占比25%。SiC衬底成本较高的原因在于,目前主流商用的PVT 法晶体存在生长速度慢、缺陷控制难度大,推高了SiC的单片成本。

  碳化硅行业企业的业态主要可以分为两种商业模式:第一类是覆盖较全的产业链环节,同时从事碳化硅衬底、外延及器件的 制作,例如科锐公司等;第二类是只从事产业链的单个或者部分环节,例如II-VI公司等。

  国内碳化硅产业起步较晚。衬底方面,科锐和II-IV公司已分别于2009年和2012年实现了6英寸衬底的量产,国内公司如天岳 先进于2019年才实现了量产。此外,科锐于2015年具备了更大的8英寸衬底量产能力,国内公司目前尚未有公司在8英寸实现 突破。器件方面,意法半导体、英飞凌等设计、生产的SiC MOSFET已经批量应用于特斯拉,国内斯达半导、比亚迪还处于小 批量供应阶段。

  英飞凌、意法半导体、安森美等国际头部功率半导体供应商的现有产能以8英寸线英寸线转移。日系 供应商富士电机、东芝也在加速扩张。国内供应商起步较晚,4至6英寸的功率半导体产线英 寸以及碳化硅在建设、爬坡中。由于功率半导体的迭代速度较慢,国内供应商有更充足的时间追赶国际头部公司,逐渐 实现功率半导体的国产化。

  国外供应商扩产项目以12英寸功率半导体产线英寸碳化硅产线年之后,因此短 期内,全球功率半导体仍将呈现供需紧张的局面。

  国内功率半导体供应商中,华润微、士兰微、闻泰科技、燕东微电子均有12英寸线的在建产能。华润微、士兰微、斯达半 导、时代电气、燕东微电子正在建设、规划碳化硅6至8英寸的产线。比亚迪、上汽集团、蔚来、博格华纳等主机厂及零部 件供应商,也在积极布局IGBT和碳化硅模块、芯片产线。

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