需求暴漲的汽車功率半導體_風聞

隨着智能化浪潮加速，汽車行業有望實現產業變革升級，加速步入萬物互聯+萬物智聯的新時代。當前消費電子已先一步步入智能時代，而汽車行業正面臨着智能化產業升級，整體過程可以類比功能機到智能機。疊加政策端碳中和推動，電動化浪潮迭起，看好新能源汽車在智能化+電動化驅動下加速起量。

汽車芯片從應用環節可以分為5類：主控芯片、存儲芯片、功率芯片、模擬芯片、傳感器芯片等，其中功率芯片價值量增加幅度最大。

而新能源汽車相比傳統燃油車，新能源車中的功率半導體價值量提升幅度更大，按照傳統燃油車半導體價值量417美元計算，功率半導體單車價值量達到87.6美元，按照FHEV、PHEV、BEV單車半導體價值量834美元計算，功率半導體單車價值量達到458.7美元，價值量增加四倍多。功率半導體中，IGBT和SiC表現極為強勢，被一眾芯片廠商所看好。

IGBT：決定電動車核心性能，

乘新能源汽車之風揚帆起航

**汽車電動化、網聯化、智能化發展趨勢中帶動汽車半導體需求大幅度增長，**IGBT應用於新能源的電壓轉換，例如：汽車動力系統、光伏逆變器等，IGBT功率模塊均是逆變器的核心功率器件，在電動車動力系統半導體價值量中佔比52%。IGBT透過控制開關控制改變電壓具備耐壓的特性被各類下游市場廣泛使用，此外由於IGBT工藝與設計難度高，海外企業憑藉多年的積累佔據較大的市場份額；國內廠商近年來通過積極投入研發成功在國內新能源汽車用IGBT模塊市場中佔取到了一定份額，但仍有很大的替代空間。

IGBT不僅是國產功率半導體企業的佈局重心，也是車廠與半導體大廠強強聯手的破局點。

華潤微部分MOSFET和IGBT產品已進入整車應用，實現銷售貢獻，公司2021年IGBT業務增速超70%。廣汽集團子公司與株洲中車時代合資設立青藍半導體，圍繞新能源汽車IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）領域開展自主技術研發和產業化應用。項目、投資總額4.63億元人民幣，一期規劃產能年產30萬隻汽車IGBT模塊，計劃2023年投產；二期規劃產能年產30萬隻汽車IGBT模塊，計劃2025年投產。項目全部建成後，可實現年產60萬隻汽車IGBT模塊的總產能，利於打開雙方在新能源汽車IGBT領域的發展局面。

**IGBT被應用於汽車的多個零部件中，是核心器件之一。**IGBT是決定電動車性能的核心器件之一，主要應用於電池管理系統、電動控制系統、空調控制系統、充電系統等，主要功能在於在逆變器中將高壓電池的直流電轉換為驅動三相電機的交流電；在車載充電機（OBC）中將交流電轉換為直流併為高壓電池充電；用於DC/DC轉換器、温度PTC、水泵、油泵、空調壓縮機等系統中。

**車規級IGBT對產品性能要求要高於工控與消費類IGBT。**作為汽車電氣化變革的關鍵製程，IGBT產品在智能汽車中具有不可替代的作用。由於汽車電子本身使用環境較為複雜，一旦失效可能引發嚴重後果，所以市場對於車規級IGBT產品的要求要高於工控類與消費類IGBT產品。相比工控與消費類IGBT，車規級IGBT對於温度的覆蓋要求更高、對出錯率的容忍度更低、且要求使用時間也更長。

**車規級IGBT在汽車產業鏈處於中游位置，車規認證是其壁壘之一。**IGBT廠商在汽車產業鏈中處於中游位置，其上游包括材料供應商、設備供應商以及代工廠，例如日本信越、晶瑞股份、晶盛機電、日立科技、高塔、華虹等；其下游包括Tier 1廠商以及整車廠。在車載IGBT產業鏈中，認證壁壘是IGBT廠商進入車載市場的壁壘之一。

IGBT廠商進入車載市場需要獲得AEC-Q100等車規級認證，認證時長約為12~18個月，且在通過認證門檻後，IGBT廠商還需與汽車廠商或Tier 1供應商進行市場約2~3年的車型導入測試驗證。在測試驗證完成後，汽車廠商也往往不會立即切換，而是要求供應商以二供或者三供的身份供貨，再逐步提高裝機量。

**IGBT組件數量隨新能源汽車的動力性能提升而增加。**IGBT約佔電機驅動系統成本的一半，而電機驅動系統約佔整車成本的15~20%，即是説，IGBT約佔整車成本的7~10%。隨着新能源汽車的動力性能增強，IGBT組件使用個數也在提升，例如MHEV 48V所需IGBT組件數量約為2~5個，但BEV A所需IGBT組件數量則為90~120個。隨着新能源汽車的動力性能增強，IGBT組件數量也在提升，帶動整體IGBT價值量提升。

根據不同車型，IGBT價值量也有所不同，A級車IGBT價值最高達到3900人民幣。根據不同車型，汽車通常可分為物流車、大巴車、A00級、A級以上四個大類。不同類型的汽車所需要的IGBT價值量也有所不同。

物流車通常使用1200V 450A模塊，單車價值量為1000元；8米大巴IGBT單車價值量為3000元、10米大巴IGBT價值量為3600元；A00級汽車單車IGBT價值量約為600~900元；15萬左右的A級車以上汽車單車IGBT價值量約為1000~2000元、20~30萬左右的A級車以上汽車單車IGBT價值量約為2000~2600元；屬高級車型的A級車以上汽車單車IGBT價值量則約3000~3900元。

充電樁中的IGBT模塊是負責功率轉換的核心器件。根據充電方式，充電樁可分為直流樁、交流樁、無線充電，其中以直流樁和交流樁為主。交流樁又叫慢充樁，只提供電力輸出，無充電功能，需要通過車載充電機為電動車充電；而直流樁則叫快充樁，與交流電網連接，輸出可調直流電，直接為電動汽車的動力電池充電，且充電速度較快。IGBT模塊在充電樁中擔當功率轉換的角色，是充電樁的核心器件之一。

**充電樁數量逐步提升，帶動IGBT需求增長。**隨着新能源汽車的普及，充電樁市場也在不斷擴大。2021年5月至2022年4月，我國公共充電樁保有量從88.4萬台增長至133.2萬台。根據中國充電聯盟的數據，2022年，我國充電樁市場中，直流電樁約為57.7萬台；交流樁約為75.5萬台，雖然充電樁市場對於IGBT來説仍然較小，但由於充電樁的部署對於擴大新能源汽車來説至關重要，所以未來充電樁用IGBT市場有望快速增長。

**英飛凌在車規級功率芯片市場處於領先。**從市場容量看，我國車規級IGBT市場規模從2015年5.92億元增長至2020年26.85億元，2015-2020年均複合增速高達35.31%。截止2019年，英飛凌處於絕對領先位置，佔49.2%；排在第二和第三位分別是比亞迪和斯達，份額分別為20.0%和16.6%。

 SiC：物理性能優勢+碳中和需求帶動上車進程加速

**SiC材料相比於Si材料有着顯著的優勢。**目前車規級半導體主要採用硅基材料，但受自身性能極限限制，硅基器件的功率密度難以進一步提高，硅基材料在高開關頻率及高壓下損耗大幅提升。與硅基半導體材料相比，以碳化硅為代表的第三代半導體材料具有高擊穿電場、高飽和電子漂移速度、高熱導率、高抗輻射能力等特點。下表是三代半導體襯底材料的指標參數對比，可看出SiC材料具有Si材料不可比擬的優勢，具體優勢體現在：

**能量損耗低。**SiC模塊的開關損耗和導通損耗顯著低於同等IGBT模塊且隨着開關頻率的提高，與IGBT模塊的損耗差越大，SiC模塊在降低損耗的同時可以實現高速開關，有助於降低電池用量，提高續航里程，解決新能源汽車痛點。

**更小的封裝尺寸。**SiC器件具備更小的能量損耗，能夠提供較高的電流密度。在相同功率等級下，碳化硅功率模塊的體積顯著小於硅基模塊，有助於提升系統的功率密度。

**實現高頻開關。**SiC材料的電子飽和漂移速率是Si的2倍，有助於提升器件的工作頻率；高臨界擊穿電場的特性使其能夠將MOSFET帶入高壓領域，克服IGBT在開關過程中的拖尾電流問題，降低開關損耗和整車能耗，減少無源器件如電容、電感等的使用，從而減少系統體積和重量。

**耐高温、散熱能力強。**SiC的禁帶寬度、熱導率約是Si的3倍，可承受温度更高，高熱導率也將帶來功率密度的提升和熱量的更易釋放，冷卻部件可小型化，有利於系統的小型化和輕量化。

**新能源汽車需求高起帶動第三代半導體在大功率電力電子器件領域起量。**電動汽車和充電樁等都需要大功率、高效率的電力電子器件，基於SiC、GaN的電子電力器件因其物理性能優異在相關市場備受青睞。第三代半導體有望成為綠色經濟的中流砥柱，助力新能源汽車電能高效轉換，推動能源綠色低碳發展。舉例來看，到2030年，如果有3500萬電動車使用SiC，那麼這一製造年生產出的新能源汽車總計在它們的使用期限中節約了的能源相當於節省1.92億桶油，相當於節省82億美元電力成本。

第三代半導體襯底成本相對較高，但綜合成本優勢大於傳統硅基，與傳統產品價差持續縮小。SiC與傳統產品價差持續縮小，預計SiC 2022年將迎來增長拐點, 2026年將全面鋪開。

SiC與傳統Si基產品價差持續縮小：

1.上游襯底產能持續釋放，供貨能力提升，材料端襯底價格下降，器件製造成本降低。

2.量產技術趨於穩定，良品率提升，疊加產能持續擴張，拉動市場價格下降 

3.產線規格由 4英寸轉向 6英寸, 成本大幅下降。未來SiC、GaN綜合成本優勢顯著，可通過大幅提高器件能效+減小器件體積使其綜合成本優勢大於傳統硅基材料，看好第三代半導體隨着價格降低有望迎來大發展。

需求測算：

目前業界於電動車較積極導入SiC的主要裝置和部件有主驅逆變器、車載充電器、車外充電器，SiC功率元件發揮如下優勢：

1.極佳的內在特質：高效率，降低能量損耗；高轉換頻率，增加能量強度；可在更高的温度下運行，提升長期可靠性。

2.性能改進和小型化：從Si-IGBT 模組到SiC MOSFET 模組，體積縮小了50%，效率提升了2%，器件的使用壽命得到延長。

3.有助於降低電動車用户的使用成本：提升效率以達到節電目的，在相同輸出功率下可增加續航里程、提升充電速度。

使用以上的主驅逆變器、車載充電器、車外充電器三者所需要的SiC的晶圓面積測算可得:

**純電動汽車:**8英寸晶圓可以滿足13輛車的SiC需求; 6英寸晶圓可以滿足7輛車的SiC需求。8inch wafer= 324.29平方釐米，假設良率為50%，BEV各部件需要的SiC晶圓面積：逆變器=10平方釐米；OBC=1.8平方釐米；DC/DC=0.9平方釐米，那麼1張8英寸晶圓可以滿足13輛車的SiC需求。6inch wafer= 176.7平方釐米, 假設良率為50%，那麼1張6英寸晶圓可以滿足7輛車的SiC需求。

**油電混合車:**8英寸晶圓可以滿足17輛車的SiC需求; 6英寸晶圓可以滿足9輛車的SiC需求。8inch wafer= 324.29平方釐米，假設良率為50%，BEV各部件需要的SiC晶圓面積：逆變器=8平方釐米；OBC=0.9平方釐米；DC/DC=0.5平方釐米，那麼1張8英寸晶圓可以滿足17輛車的SiC需求。6inch wafer= 176.7平方釐米, 假設良率為50%，那麼1張6英寸晶圓可以滿足9輛車的SiC需求。

我國新能源汽車SiC需求測算：

純電動汽車佔新能源汽車比重為81%，以此數據假設，我國2021-2025年新能源汽車相關8英寸SiC晶圓需求為27.1萬片、34.2萬片、43.3萬片、54.7萬片、69.2萬片， 6英寸SiC晶圓需求我國為48.1萬片、60.9萬片、77.0萬片、97.3萬片、123.1萬片。

上車情況：

高性能車電驅動參數對比，碳化硅物理性能優勢凸顯。

價格持續降低+物理性能優勢+碳中和需求帶動碳化硅加速上車，數家車企多車型爭先嚐鮮。三安光電副總經理陳東坡預計，在2023-2024年，長續航里程的車型基本上80-90%、甚至100%都會導入碳化硅（SiC）器件。2022年，隨着800V高壓平台的推進，未來將有更多的SiC器件在車上搭載。國內外產業鏈企業將在SiC賽道持續展開競賽。

**高電壓高功率超級快充成為解決用户充電焦慮的行業通行方案，**在超級快充方面多加主機廠和充電樁服務商均在佈局120-480KW超級快充，在整車電壓方面，800V整車電壓成為下一代電動車重要選擇，SiC強勢入場。

據英飛凌最新的材料顯示，我們看到英飛凌是現代EMP系列SiC的主要提供商；美國的車企中，根據當前的信息猜測，可能是第一個導入SiC的是通用汽車，因為之前有一則消息：Wolfspeed宣佈，與通用汽車達成了一項戰略供應協議，為通用汽車未來的電動汽車提供碳化硅；而下圖中亞洲OEM可能是韓國車企；小鵬則是第一次明確800V的SiC平台。

我國情況：整車及零部件企業積極引入SiC,市場前景十分明確。

國內新能源汽車企業首先在OBC和DC DC中應用SiC器件，然後逐步滲透到可靠性要求更高的電機控制器

競爭格局：

功率半導體方面，士蘭微、時代電氣、斯達半導、宏微科技、新潔能積極佈局。

士蘭微自主研發的V代IGBT和FRD芯片的電動汽車主電機驅動模塊在2021年上半年已在國內多家客户通過測試，並在部分客户開始批量供貨。

時代電氣2020年乘用車IGBT已獲得廣汽、東風訂單。斯達半導2021年上半年應用於主電機控制器的車規級IGBT模塊持續放量，合計配套超過20萬輛新能源汽車，同時基於第七代微溝槽Trench FieldStop技術的新一代車規級650V/750V IGBT芯片研發成功，預計今年開始批量供貨。

宏微科技車規級IGBT模塊GV系列產品已實現對臻驅科技（上海）有限公司小批量供貨，匯川技術、蜂巢電驅動科技河北有限公司（長城汽車子公司）和麥格米特正在對GV系列產品進行產品認證。

新潔能募資14.5億擴建SiC/GaN 項目，汽車用 1200V SiC MOS 和 650V E－Mode GaN HEMT 首次流片驗證完成，產品部分性能達到國內先進水平。2021 年公司在汽車電子市場重點導入了比亞迪，目前已經實現十幾款產品的大批量供應，產品進入了多個汽車品牌的整機配件廠，汽車電子產品的整體銷售佔比快速提升。

價值量測算：車載IGBT及SiC發展勢不可擋

關鍵假設：

**1.汽車銷****量與滲透率：**根據國務院發佈的《新能源汽車產業發展規劃》以及乘聯會數據，我們預計新能源汽車行業將加速發展，對傳統燃油車具有較強的滲透和替代能力，政策支持力度較大。我們預計2022年全國新能源汽車銷售將持續放量，銷量達445萬輛，到2025年增加至900萬輛，滲透率達30%

**2.車規級IGBT價值量：**我們按照IGBT芯片使用數量估計，A00/A0級電動乘用車IGBT價值量平均為1000元，A級以上電動乘用車IGBT價值量平均為3000元，插電混動乘用車IGBT價值量平均為2100元，商用車IGBT價值量平均為1800元，傳統燃油車IGBT價值量平均為700元

**3.A00/A0級電動車銷量佔比：**我們預計新能源汽車的銷售結構將會從“啞鈴型”向“紡錘型”優化，A00和A0級車佔比逐漸下降，預計將從2022年佔比35%逐漸下降至2025年佔比15%

4.等效8英寸晶圓數量(億片)**：**我們按照英飛凌生產的FSxxR12KT4系列IGBT模塊中IGBT芯片的平均面積90.17mm²進行估算，8英寸晶圓大約可以切出301塊IGBT芯片。晶圓數量需求量將從2021年156.54萬片大幅增長至2025年363.61萬片

**5.IGBT+SiC市場規模：**我們按照各類型汽車銷售量乘以各類型汽車中IGBT與SiC價值量，其中SiC的滲透率逐漸提高，成本大幅降低。