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智能化浪潮加速汽车功率半导体需求暴涨
2024-04-14 03:20:51 | 作者:米乐m6在线

  化浪潮加速,汽车行业有望实现产业变革升级,加速步入万物互联+万物智联的新时代。当前已先一步步入智能时代,而汽车行业正面临着智能化产业升级,整体过程可以类比功能机到智能机。叠加政策端碳中和推动,电动化浪潮迭起,看好

  汽车芯片从应用环节可大致分为5类:主控芯片、存储芯片、功率芯片、模拟芯片、传感器芯片等,其中功率芯片价值量增加幅度最大。

  而新能源汽车相比传统燃油车,新能源车中的功率半导体价值量提升幅度更大,按照传统燃油车半导体价值量417美元计算,功率半导体单车价值量达到87.6美元,按照FHEV、PHEV、BEV单车半导体价值量834美元计算,功率半导体单车价值量达到458.7美元,价值量增加四倍多。功率半导体中,IGBT和SiC表现极为强势,被一众芯片厂商所看好。

  汽车电动化、网联化、智能化发展的新趋势中带动汽车半导体需求大幅度增长,IGBT应用于新能源的电压转换,例如:汽车动力系统、光伏逆变器等,IGBT功率模块均是逆变器的核心功率器件,在电动车动力系统半导体价值量中占比52%。IGBT透过控制开关控制改变电压具备耐压的特性被各类下游市场普遍的使用,此外由于IGBT工艺与设计难度高,海外企业凭借多年的积累占据较大的市场占有率;国内厂商近年来通过积极投入研发成功在国内新能源汽车用IGBT模块市场中占取到了一定份额,但仍有很大的替代空间。

  IGBT不仅是国产功率半导体企业的布局重心,也是车厂和半导体大厂强强联手的破局点。

  华润微部分MOSFET和IGBT产品已进入整车应用,实现销售贡献,公司2021年IGBT业务增速超70%。广汽集团子公司与株洲中车时代合资设立青蓝半导体,围绕新能源汽车IGBT(绝缘栅双极型晶体管)领域开展自主研发技术和产业化应用。项目、投资总额4.63亿元人民币,一期规划产能年产30万只汽车IGBT模块,计划2023年投产;二期规划产能年产30万只汽车IGBT模块,计划2025年投产。项目全部建成后,可实现年产60万只汽车IGBT模块的总产能,利于打开双方在新能源汽车IGBT领域的发展局面。

  IGBT被应用于汽车的多个零部件中,是核心器件之一。IGBT是决定电动车性能的核心器件之一,主要使用在于电池管理系统、电动控制管理系统、空调控制管理系统、充电系统等,基本功能在于在逆变器中将高压电池的直流电转换为驱动三相电机的交流电;在车载充电机(OBC)中将交流电转换为直流并为高压电池充电;用于、温度PTC、水泵、油泵、空调压缩机等系统中。

  车规级IGBT对产品性能要求要高于工控与消费类IGBT。作为汽车电气化变革的关键制程,IGBT产品在智能汽车中具有无法替代的作用。由于汽车电子本身使用环境较为复杂,一旦失效可能引发难以处理的后果,所以市场对车规级IGBT产品的要求要高于工控类与消费类IGBT产品。相比工控与消费类IGBT,车规级IGBT对于温度的覆盖要求更高、对出错率的容忍度更低、且要求使用时间也更长。

  车规级IGBT在汽车产业链处于中游位置,车规认证是其壁垒之一。IGBT厂商在汽车产业链中处于中游位置,其上游包括材料供应商、设备供应商以及代工厂,例如日本信越、晶瑞股份、晶盛机电、日立科技、高塔、华虹等;其下游包括Tier 1厂商以及整车厂。在车载IGBT产业链中,认证壁垒是IGBT厂商进入车载市场的壁垒之一。

  IGBT厂商进入车载市场需要获得AEC-Q100等车规级认证,认证时长约为12~18个月,且在通过认证门槛后,IGBT厂商还需与汽车厂商或Tier 1供应商进行市场约2~3年的车型导入测试验证。在测试验证完成后,汽车厂商也往往不会立即切换,而是要求供应商以二供或者三供的身份供货,再慢慢地提高装机量。

  IGBT组件数量随新能源汽车的动力性能提升而增加。IGBT约占电机驱动系统成本的一半,而电机驱动系统约占整车成本的15~20%,即是说,IGBT约占整车成本的7~10%。随着新能源汽车的动力性能增强,IGBT组件使用个数也在提升,例如MHEV 48V所需IGBT组件数量约为2~5个,但BEV A所需IGBT组件数量则为90~120个。随着新能源汽车的动力性能增强,IGBT组件数量也在提升,带动整体IGBT价值量提升。

  根据不同车型,IGBT价值量也不一样,A级车IGBT价值最高达到3900人民币。根据不同车型,汽车通常可分为物流车、大巴车、A00级、A级以上四个大类。不一样的汽车所需要的IGBT价值量也有所不同。

  物流车通常使用1200V 450A模块,单车价值量为1000元;8米大巴IGBT单车价值量为3000元、10米大巴IGBT价值量为3600元;A00级汽车单车IGBT价值量约为600~900元;15万左右的A级车以上汽车单车IGBT价值量约为1000~2000元、20~30万左右的A级车以上汽车单车IGBT价值量约为2000~2600元;属高级车型的A级车以上汽车单车IGBT价值量则约3000~3900元。

  充电桩中的IGBT模块是负责功率转换的核心器件。根据充电方式,充电桩可分为直流桩、交流桩、无线充电,其中以直流桩和交流桩为主。交流桩又叫慢充桩,只提供电力输出,无充电功能,一定要通过车载充电机为电动车充电;而直流桩则叫快充桩,与交流电网连接,输出可调直流电,直接为电动汽车的动力电池充电,且充电速度较快。IGBT模块在充电桩中担当功率转换的角色,是充电桩的核心器件之一。

  充电桩数量逐步提升,带动IGBT需求量开始上涨。随着新能源汽车的普及,充电桩市场也在逐步扩大。2021年5月至2022年4月,我国公共充电桩保有量从88.4万台增长至133.2万台。根据中国充电联盟的数据,2022年,我国充电桩市场中,直流电桩约为57.7万台;交流桩约为75.5万台,虽然充电桩市场对IGBT来说仍然较小,但由于充电桩的部署对于扩大新能源汽车来说至关重要,所以未来充电桩用IGBT市场有望快速增长。

  英飞凌在车规级功率芯片市场处于领先。从市场容量看,我国车规级IGBT市场规模从2015年5.92亿元增长至2020年26.85亿元,2015-2020年均复合增速高达35.31%。截止2019年,英飞凌处于绝对领先位置,占49.2%;排在第二和第三位分别是比亚迪和斯达,份额分别为20.0%和16.6%。

  SiC材料相比于Si材料有着显著的优势。目前车规级半导体主要是采用硅基材料,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升,硅基材料在高开关频率及高压下损耗大幅度的提高。与硅基半导体材料相比,以碳化硅为代表的第三代半导体材料具备高击穿电场、高饱和电子漂移速度、高热导率、高抗辐射能力等特点。下表是三代半导体衬底材料的指标参数对比,可看出SiC材料具备Si材料不可比拟的优势,具体优势体现在:

  能量损耗低。SiC模块的开关损耗和导通损耗明显低于同等IGBT模块且随开关频率的提高,与IGBT模块的损耗差越大,SiC模块在降低损耗的同时能轻松实现高速开关,有助于降低电池用量,提高续航能力,解决新能源汽车痛点。

  更小的封装尺寸。SiC器件具备更小的能量损耗,可提供较高的电流密度。在相同功率等级下,碳化硅功率模块的体积显著小于硅基模块,有助于提升系统的功率密度。

  实现高频开关。SiC材料的电子饱和漂移速率是Si的2倍,有助于提升器件的工作频率;高临界击穿电场的特性使其能够将MOSFET带入高压领域,克服IGBT在开关过程中的拖尾电流问题,降低开关损耗和整车能耗,减少无源器件如电容、电感等的使用,由此减少系统体积和重量。

  耐高温、散热能力强。SiC的禁带宽度、热导率约是Si的3倍,可承受温度更高,高热导率也将带来功率密度的提升和热量的更易释放,冷却部件可小型化,有利于系统的小型化和轻量化。

  新能源汽车需求高起带动第三代半导体在大功率电力电子器件领域起量。电动汽车和充电桩等都需要大功率、高效率的电力电子器件,基于SiC、GaN的电子电力器件因其物理性能优异在相关市场备受青睐。第三代半导体有望成为绿色经济的中流砥柱,助力新能源汽车电能高效转换,推动能源绿色低碳发展。举例来看,到2030年,如果有3500万电动车使用SiC,那么这一制造年生产出的新能源汽车总计在它们的有效期中节约了的能源相当于节省1.92亿桶油,相当于节省82亿美元电力成本。

  第三代半导体衬底成本相比来说较高,但综合成本优势大于传统硅基,与传统产品价差持续缩小。SiC与传统产品价差持续缩小,预计SiC 2022年将迎来增长拐点, 2026年将全面铺开。

  1.上游衬底产能持续释放,供货能力提升,材料端衬底价格下降,器件制造成本降低。

  3.产线英寸, 成本一下子就下降。未来SiC、GaN综合成本优势显著,可通过大幅度提高器件能效+减小器件体积使其综合成本优势大于传统硅基材料,看好第三代半导体随价格降低有望迎来大发展。

  目前业界于电动车较积极导入SiC的主要装置和部件有主驱逆变器、车载充电器、车外充电器,

  1.极佳的内在特质:高效率,降低能量损耗;高转换频率,增加能量强度;可在更高的温度下运行,提升长期可靠性。

  2.性能改进和小型化:从Si-IGBT 模组到SiC MOSFET 模组,体积缩小了50%,效率提升了2%,器件的常规使用的寿命得到延长。

  3.有助于降低电动车用户的使用成本:提升效率以达到节电目的,在相同输出功率下可增加续航里程、提升充电速度。

  使用以上的主驱逆变器、车载充电器、车外充电器三者所需要的SiC的晶圆面积测算可得:

  8英寸晶圆能够完全满足13辆车的SiC需求; 6英寸晶圆能够完全满足7辆车的SiC需求。8inch wafer= 324.29平方厘米,假设良率为50%,BEV各部件需要的SiC晶圆面积:逆变器=10平方厘米;OBC=1.8平方厘米;DC/DC=0.9平方厘米,那么1张8英寸晶圆能够完全满足13辆车的SiC需求。6inch wafer= 176.7平方厘米, 假设良率为50%,那么1张6英寸晶圆能够完全满足7辆车的SiC需求。

  8英寸晶圆能够完全满足17辆车的SiC需求; 6英寸晶圆能够完全满足9辆车的SiC需求。8inch wafer= 324.29平方厘米,假设良率为50%,BEV各部件需要的SiC晶圆面积:逆变器=8平方厘米;OBC=0.9平方厘米;DC/DC=0.5平方厘米,那么1张8英寸晶圆能够完全满足17辆车的SiC需求。6inch wafer= 176.7平方厘米, 假设良率为50%,那么1张6英寸晶圆能够完全满足9辆车的SiC需求。

  ,以此数据假设,我国2021-2025年新能源汽车相关8英寸SiC晶圆需求为27.1万片、34.2万片、43.3万片、54.7万片、69.2万片, 6英寸SiC晶圆需求我国为48.1万片、60.9万片、77.0万片、97.3万片、123.1万片。

  ,数家车企多车型争先尝鲜。三安光电副总经理陈东坡预计,在2023-2024年,长续航能力的车型基本上80-90%、甚至100%都会导入碳化硅(SiC)器件。2022年,随着800V高压平台的推进,未来将有更多的SiC器件在车上搭载。国内外产业链企业将在SiC赛道持续展开竞赛。

  在超级快充方面多加主机厂和充电桩服务商均在布局120-480KW超级快充,在整车电压方面,800V整车电压成为下一代电动车重要选择,SiC强势入场。

  的材料显示,我们正真看到英飞凌是现代EMP系列SiC的主要提供商;美国的车企中,根据当前的信息猜测,可能是第一个导入SiC的是通用汽车,因为之前有一则消息:Wolfspeed宣布,与通用汽车达成了一项战略供应协议,为通用汽车未来的电动汽车提供碳化硅;而下图中亚洲OEM可能是韩国车企;小鹏则是第一次明确800V的SiC平台。

  国内新能源汽车企业首先在OBC和DC DC中应用SiC器件,然后逐步渗透到可靠性要求更高的

  自主研发的V代IGBT和FRD芯片的电动汽车主电机驱动模块在2021年上半年已在国内多家客户通过测试,并在部分客户开始批量供货。

  2020年乘用车IGBT已获得广汽、东风订单。斯达半导2021年上半年应用于主电机控制器的车规级IGBT模块持续放量,合计配套超过20万辆新能源汽车,同时基于第七代微沟槽Trench FieldStop技术的新一代车规级650V/750V IGBT芯片研发成功,预计今年开始批量供货。

  车规级IGBT模块GV系列新产品已实现对臻驱科技(上海)有限公司小批量供货,汇川技术、蜂巢电驱动科技河北有限公司(长城汽车子公司)和麦格米特正在对GV系列新产品进行产品认证。

  募资14.5亿扩建SiC/GaN 项目,汽车用 1200V SiC MOS 和 650V E-Mode GaN HEMT 首次流片验证完成,产品部分性能达到国内领先水平。2021 年公司在汽车电子市场重点导入了比亚迪,目前已经实现十几款产品的大批量供应,产品进入了多个汽车品牌的整机配件厂,汽车电子科技类产品的整体销售占比快速提升。

  量与渗透率:根据国务院发布的《新能源汽车产业高质量发展规划》以及乘联会数据,我们预计新能源汽车行业将加速发展,对传统燃油车具有较强的渗透和替代能力,政策支持力度较大。我们预计2022年全国新能源汽车销售将持续放量,销量达445万辆,到2025年增加至900万辆,渗透率达30%

  我们按照IGBT芯片使用数量估计,A00/A0级电动乘用车IGBT价值量平均为1000元,A级以上电动乘用车IGBT价值量平均为3000元,插电混动乘用车IGBT价值量平均为2100元,商用车IGBT价值量平均为1800元,传统燃油车IGBT价值量平均为700元

  我们预计新能源汽车的销售结构将会从“哑铃型”向“纺锤型”优化,A00和A0级车占比逐渐下降,预计将从2022年占比35%逐渐下降至2025年占比15%

  (亿片):我们按照英飞凌生产的FSxxR12KT4系列IGBT模块中IGBT芯片的平均面积90.17mm²进行估算,8英寸晶圆大约可以切出301块IGBT芯片。晶圆数量需求量将从2021年156.54万片大幅度增长至2025年363.61万片

  我们按照各类型汽车销售量乘以各类型汽车中IGBT与SiC价值量,其中SiC的渗透率逐渐提高,成本大幅降低。

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