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行业新闻

IGBT：汽车背后的“隐形”零部件崛起，国内IGBT前三甲出炉

2019年12月09日

要点凝练：

1. 随着应用高压系统的BEV, PHEV车型的销量提升，功率半导体的应用范围和驱动功率到了一个新的层级。

2. 英飞凌、比亚迪把控着新能源汽车电控用IGBT?？槭谐?0%以上的份额。

3. 2019上半年电控用功率器件的市场规模累计为8.5亿。

当一个产业在天时地利下获得突飞猛进的市场突破，它往往会带动背后许多“隐形”供应商的壮大。功率半导体即是其一，作为需求驱动型产品，它随着电动汽车市场的崛起迎来春天。
 
近年来，中国半导体产业发展迅速，尤其是车用IGBT模块。东风徐来，国内IGBT?？楣┯ι糖腥牍┯α?，打破外资壁垒。
 
1、电动汽车是功率半导体的“伯乐”
 
一辆汽车使用的汽车半导体大致可以分为四类，分别为安全集成电路、MCU微控制器芯片，传感器芯片，功率元器件。
 
随着汽车电子部件的应用范畴扩充，ECU（核心部件为MCU）数量增多。小到雨刷、车窗、电动座椅，大到底盘、动力总成、驾驶辅助系统，均离不开MCU。一辆汽车需要的芯片中，MCU大概能占去三成。
 
传感器作为采集智能驾驶所需数据的眼睛和耳朵，是车门控制?？椤⒂槔滞ㄑ断低车拇テ量刂?、制动系统、转向系统、网域控制器、发动机、变速箱以及ADAS系统的核心部件。智能化、自动化加速推进传感器的部署。
 
功率元器件的伯乐是电动汽车。电动汽车的动力产生和传输过程与汽油发动机有着巨大的差异，它需要交直流电和电压的频繁转换。
 
以电为驱动力的电动汽车有着高电压、高功率、高温等特性，功率器件必须适应运行环境，帮助电动汽车更高效、更节能地完成能量的传递和输出。因此，目前功率元器件在汽车上的应用从MOSFET转为IGBT。
 

1.1 IGBT与MOSFET

 
IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)全称“绝缘栅双极晶体管”，属于电压驱动型功率器件。它本质上是一个开关，由三极管、场效应管、续流二极管构成的复合原件，由电压驱动导通和关断。
 
从电压结构看，电压在600-1200V的IGBT需求量最大，占市场份额68.2%，主要应用于电动汽车；1200V以上的IGBT应用在高铁、动车、汽车电子及电力设备中。伴随着轨道交通、再生能源等市场在近几年内的高速成长，对更高电压应用的IGBT产品（1200V~6500V）提出了强烈的需求。
 
IGBT在电动汽车上代替的是场效管MOSFET。MOS管芯片擅长小功率作战，虽然为手机、电脑带来更快的运行速度，但其耐压低，在高电压、大电流应用中损耗大的弱点，使之无法投入到大功率应用中。而IGBT芯片导通压降小、耐压高，能够适应大电流和大电压的工作环境。对于电动车而言，IGBT直接控制驱动系统直、交流电的转换，决定了车辆的扭矩和最大输出功率等。
 


 

图 1：不同材料及类型功率器件输出功率~开关频率
（数据来源：公开资料、NE研究院整理）
 

1.2 应用功率器件的电动汽车主要部件

 
任何电动（EV）或插电式混合动力（HEV）车辆的核心都在于高压（200至450V DC）电池及其相关的充电系统。
 
与传统燃油车和弱混动力车相比，电动汽车少了发动机和启停系统，但多出了电池、电机、电控核心部件以及车载DCDC、电空调驱动、车载充电器（OBC）等电力电子装置。
 
接入充电器后，电动汽车通过OBC中的功率元器件进行交-直流转换和高低压变换，为电池充电。当车辆运行时，电池将高压电池的直流电转换为驱动三相电机的交流电，为电机提供动力。除此之外，车载空调需要电机的驱动，能量回收需要发电机，这时它们对电压转换电路（DCDC）用量大幅提升。
 
电动汽车的运行过程中，车载空调、OBC、逆变器、DC/DC、发电机都有赖于功率元器件对电的频繁电压和交直流转换。它们需要大量的IGBT、MOSFET等功率半导体器件。因此在它们的需求带动下，功率元器件将出现爆发式增长。
 

图 2：功率器件在电动汽车中的使用
（图片来自：比亚迪）
 

 

2、 IGBT是电动汽车更高效的砝码
 

2.1 燃油车、MHEV、HEV、PHEV、电动汽车对IGBT的不同需求

 
燃油车并非不需要功率器件，而是它对功率器件的要求和需求量相比电动汽车存在天壤之别。
 
燃油车的电压较低，对功率器件的应用集中在MOSFET。启动机、车灯控制、音响系统、车身控制、引擎控制、防盗、动力传输系统均是MOSFET的应用场景。
 
随着大多数燃油车将启停、电动车窗、燃油喷射、间歇式雨刷和巡航控制等作为标配应用，它们的普及带动车用功率MOSFET芯片的发展。例如电动车窗开关采用MOS管技术，是为了解决传统型开关继电器触点易烧蚀问题。利用MOS管作为控制电流通断的元件，实现无触点开关，提高可靠性，是目前汽车功率型开关的发展方向。
 
燃油车上的零部件相对而言电压等级比较低，如40V功率MOSFET可以完全满足EPS (电动助力转向系统)和EPB (电子驻车制动系统) 等汽车安全系统的机械、环境和电气要求。动力总成电压在30-40V，电助力制动器电压60-80V，点火器电压为40-80V，它们的功率值加起来也不过十几千瓦，只需低导通阻抗的高性能低压MOSFET，来降低车辆的功耗。如装配有启动/停止?？榈某盗拘枰腗OSFET功率为1.5-10kW，平均功率为3.5kW。
 
48V轻混系统核心部件包括48V电池、48V起动电机/发电机、一套48V/12V（DC/DC）的电压逆变器，以及相应的控制?？?。其主电机驱动对功率器件的要求一般为驱动功率在5-20kW，此时高性能MOSFET或IGBT才能满足它的要求。
 
强混车的主电机驱动电压最高可到500V，由此它要求驱动功率为20-150kW的IGBT，发电机则需要驱动功率为20-40kW的IGBT。
 
从传统燃油车、48V轻混车到强混车，少了发动机和启停系统，但逐渐多出电池、电机等部件，且电压持续升高。发电机、电驱对功率器件要求类似，只是功率大小不同。
 

表 1：电动汽车对功率器件的需求
（数据来源：比亚迪、NE研究院整理）
 
到了纯电动汽车，功率半导体的应用范围和驱动功率到了一个新的层级。
 
主电机驱动、发电机、DCDC、OBC（充电+逆变）、车载电动空调是插混和纯电动汽车不可或缺的部件。其中主电机驱动属于动力系统，门槛最高。它对功率器件的需求一般为驱动功率在20-150kW，平均功率大约在70kW。现在可以看到主机厂正在尝试提高整车电压，功率器件必须能够适应更高的电压，实现更大的驱动功率。这时，电机控制器厂家一般会选用导通压降小、耐压高的IGBT芯片，而非用于燃油车或轻混车中的MOSFET。
 
尤其是纯电动汽车正在加快充电速度，实现快充或超快充。OBC开关频率较高，需要较快的功率器件。它采用驱动功率为10-40kW的IGBT。
 
传统汽车中，功率半导体主要应用在启动、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。
 
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%。
 

2.2 IGBT的低损耗、高电流输出能力、强耐温

 
随着电动车性能不断地提升，对功率半导体组件提出了更高的要求。要求主要体现在三个方面：1、低芯片损耗；2、电流输出能力；3、温度循环寿命。
 
低损耗与整车电耗强相关。当IGBT芯片损耗更低时，它传递的能量也就更多，流经过芯片损失的电流就相对减少，使电流传递的过程更加高效，降低整车的百公里电耗。
 
电流输出能力关系到整车的功率输出能力。IGBT此类电压控制元器件根据驱动电压的高低而输出不同的功率。它可以产生大功率信号，进而拓宽元器件工作阈值，使其高效工作区间增大，来驱动电机。当提高电流输出能力后，它可以给予电机在一定电压下更高的功率，改善加速性能。
 
温度循环寿命代表着IGBT芯片适应不同环境时的可靠性和使用寿命。汽车对功率元器件的外部工作环境，如振动、温度、湿度、粉尘、有害气体以及EMC等有着高要求。这也是为何车规级半导体芯片普遍贵于消费电子芯片的原因。只有经受住各种气候、路况、驾驶习惯的考验，功率器件才满足“车规级”要求，可以被售往温度过高或过低、山路崎岖的地区。
 
IGBT本身是一个非通即断的开关，导通时可以看作导线，断开时可以看作开路。在电机控制器中，IGBT主要负责将动力电池传输的直流电转化为交流电。电流从上而下垂直穿过IGBT，直至抵达驱动电机。芯片越薄，电流流过的路径就越短，损耗在芯片上的能量也就随之降低。
 
NE研究院调研了国内自主车规级IGBT的使用情况，规模最大的即是比亚迪微电子自主研发设计的IGBT?？椤?/section>
 
在国内半导体厂商中，比亚迪微电子在2018年推出了最新的IGBT4.0芯片。该款新品电流覆盖了从25到200A，标准型开关频率是3K~12KHZ，快速型为10K~30KHZ，可应用于汽车牵引动力驱动、车用空调变频与制热、汽车转向助力系统、工业感应加热电器、电焊机、变频器等。
 
同等工况下，这款IGBT综合损耗较当前市场主流的IGBT降低了约20%。这意味着电流通过IGBT器件时，受到的损耗降低，使得整车电耗显著降低，续航里程得到明显延长。
 
为了降低整车电耗，必须有意将Vcesat和开关损耗降到更低。NE研究院调研后发现，比亚迪对此的解决方案是，增加复合场终止层，减薄N-漂移区（漂移区的正向压降与厚度密切相关）。
 
以比亚迪全新一代唐EV为例，在其他条件不变的情况下，仅此一项技术，就成功将百公里电耗降低约3%。
 

图 3：比亚迪IGBT4.0芯片
（图片来源：比亚迪）
 
电流输出能力方面，比亚迪IGBT4.0较当前市场主流的IGBT高15%，支持整车具有更强的加速能力和更大的功率输出能力，百公里加速4.4秒。
 
温度循环寿命层面，比亚迪电动车完成了从新疆吐鲁番的高温，到北欧的极寒、再到西藏高原的高海拔等全球最严苛自然环境的测试，并在全球300多个市场成功经历了各种气候、路况、驾驶习惯的考验，得到广泛认可。
 
未来电动汽车的发展趋势即为能耗更低，续航里程更长。这一趋势将拉动IGBT的需求呈现出爆发性的增长。
 

 

3、国内新能源汽车用功率器件市场分析
 
IGBT之于电控相当于电池之于电动汽车。
 
随着新能源汽车市场的扩大，IGBT作为重要的功率器件，受到了广泛的关注。IGBT芯片与动力电池电芯并称为电动车的 “双芯”，是影响电动车性能的关键技术，其成本占整车成本的5%左右。
 
电机控制器是新能源汽车产业链的重要环节。除了电池以外，电控在整车里的成本占到第二位，约为15~20%。IGBT是电控的核心部件，约占其成本的三分之一。因此，基本上谁能把持着电控供应商的功率器件订单，就可在电动汽车用功率器件市场中拥有极大的话语权。
 
图 4：电机控制器成本结构
（数据来源：驱动视界、NE研究院整理）
 

3.1 2019上半年国内新能源汽车市场功率?？樾枨罅?/strong>

 
纯电动汽车一直是国内新能源汽车的驱动力。根据中汽协公布的数据，新能源乘用车在2019年上半年的产销量分别为54.1万辆和54.9万辆，同比增幅分别为55.0%和58.1%。其中纯电动汽车占据的比重达77.3%，是新能源汽车市场的主要结构。
 
若按照级别统计，BEV市场偏向A00级和A级车，这种细分市场结构决定了其产品的电压等级分级会比较明显。
 
2019上半年，A级车受到私家车和出租租赁的拉动，表现出较好的增长态势，比重为54.4%。其次为A00级车，在BEV市场中占去的市场份额最大，达到20.3%；A0级车与A00级车接近，份额为19.5%。
 
A级、A00级、A0级是占去新能源汽车市场份额最大的细分市场，而它们的电压等级和功率范围不在一个层级上。电压和功率决定一款电动汽车应该使用的功率?？榈氖?。
 

A00级、A0级轿车以低压、低功率为主，驱动电机的峰值功率在20~60kW之间，电池电压跨度较大，电压分布在100V~200V以及300V~350V之间；而SUV多在300V~350V范围内，驱动电机的峰值功率在80~120kW之间居多。若其电控采用20kW的IGBT?？?，那么它仅需要1-3个。若是更高功率的IGBT?？?，可能仅需要1个。

 
图 5：BEV电机功率分布图
（数据来源：NE研究院整理）
 

图 6：PHEV电机功率分布图
（数据来源：NE研究院整理）
 
A级以上的电压和功率较高。其电池电压集中在300V~350V之间，驱动电机峰值功率集中在120~160kW。比亚迪的部分车型电压高压600V，多数集中在350~600V。
 
考虑到电压高，比亚迪所用的IGBT功率器件电压多在1200V，适用于750V及以下的平台电压。
 
比亚迪唐EV600采用的是IGBT 4.0功率模块作为电路传输的核心。它的电机功率为180kW，若使用最大功率为200kW的半桥IGBT功率模块，则只需要3个模块。
 
PHEV市场则以一些本土OEM为主，电压平台除比亚迪之外，基本在300V左右，功率在50~100kW之间。由此，它们的电控部件需要的功率?？槭肯喽远陨儆贐EV，为1-2个功率?？椤?/section>
 
NE研究院对2019年上半年BEV和PHEV电驱动功率进行了统计。BEV对功率模块的需求量达到44.9GW。其中A级轿车需求量最大，为23.0GW（51.4%），接着紧凑型SUV（6.6GW，14.8%）、小型SUV（5.7GW，12.7%）和A00级轿车（4.1GW，9.1%）。
 
PHEV需要11.6GW的功率模块，其中中型SUV基本上占去38.5%的需求量，约4.5GW，紧凑型SUV总需求量为2.3GW，占比19.5%，A级轿车比重在15.7%，为1.8GW。
图 7：2019上半年BEV各细分市场电驱动功率
（数据来源：NE研究院整理）
 

图 8：2019上半年PHEV各细分市场电驱动功率
（数据来源：NE研究院整理）
 

3.2 国内电控用功率?？楣┯ι?/strong>

 
补贴政策刺激国内自主品牌在新能源汽车领域加大投放力度，进而提高新能源汽车市场的规模。根据工信部的产量数据，从2014年至2017年，国内新能源汽车产量从6.3万辆上涨至55.1万辆，到2018年数值攀升至99.3万辆。2019年上半年产量上涨69.7%至55.3万辆。中国连续四年位居全球新能源汽车产销第一大国。
图 9：2014年至2019上半年的新能源汽车产量
（数据来源：NE研究院整理）
 
2019年上半年，比亚迪以14.1万辆成为国内新能源车企销量冠军。它基本上占去国内25.7%的市场份额。同一时期，它共产出了13.6万辆新能源汽车。
 
比亚迪在新能源汽车市场中的份额成为其IGBT功率器件的后盾。它本已是国内新能源汽车产销大户，且自产三电。这就决定了，它对新能源汽车及其配套系统有着深入理解。而且，比亚迪新能源汽车与微电子相辅相成，在国内数一数二的整车销量，直接将其IGBT的市场份额引上高位。
 
以电动汽车第二大核心部件——电控为例，2019年上半年，比亚迪电控的装机量占去国内电控市场份额的25.9%，其次为联合电子的17.9%、麦格米特的9.0%。前三强电控供应商共持有国内52.8%的比重，划去半壁江山。

图 10：2019上半年电控生产企业TOP10

（数据来源：NE研究院整理）
 
比亚迪电控、IGBT?？榈攘悴考晨考判履茉雌档姆⒄?，成为市场中亮眼的存在。比亚迪已经成为国内新能源汽车市场中装机量最多的电控供应商。到电控的核心——IGBT部分，比亚迪也成为国内新能源汽车电控用功率?？樽盎渴皇墓┯ι?。
 
比亚迪IGBT除比亚迪汽车自用以外，外部市场推广也取得很大成效，市场份额逐步攀升。按最新数据估算，其在中国车规市场的份额已高达22.1%。
 
从单晶、外延、芯片到封装，比亚迪微电子掌控着IGBT?？榈拿扛龌方?。紧接着，它与第十四事业部紧密合作，将研制的IGBT?？橛τ糜谄煜氯弦坏缜低?。
 
从F3DM采用的IGBT 1.0芯片，大规模配置于e6、K9等新能源车型上的IGBT 2.5芯片的?？?，到去年推出的IGBT 4.0芯片，它的IGBT芯片已经研发了十年，用在了50万辆车上。
 
联合电子、麦格米特是排名第二和第三的电控供应商，市场份额分别为17.9%和9.0%。联合电子电控配套车型包括帝豪 EV、几何A、荣威Ei5、欧拉iQ，麦格米特电控的主要客户为北汽新能源旗下产品，如北汽EU5。无论是联合电子还是麦格米特，它们基本上外购的是英飞凌的功率?？椤?/section>
 
上海电驱动、奇瑞新能源、道一动力、蔚然动力、大地和，这些电控装机量TOP10供应商绝大部分采用英飞凌的IGBT?？?。NE研究院调研后发现，英飞凌IGBT?？橛糜诠谛履茉雌档缈刂械淖盎勘戎匚?8.7%。
 
除此之外，不乏其他IGBT?？楣┯ι袒乜突А５酪欢Τ瞬捎糜⒎闪璧腎GBT?？椋膊晒毫怂勾锲煜鹿β拾氲继迥？?。
 
另外，一些电控供应商从成本角度出发，开始自制IGBT?？?/strong>。中车时代与比亚迪相似，是国内电控用IGBT?？榱煊蛏儆写有酒?、模块到应用的供应商，但其产品主要应用于轨道交通领域。
 

日系电控供应商普遍采用本土IGBT模块，例如电装自产IGBT?？?，日立电控用功率?？槔醋杂诟皇康缁?，日本电产使用的是三菱的IGBT?？?。

 

另外，除了IGBT模块外，部分电控采用IGBT单管方案或者MOS管方案。

 

图 11：2019上半年新能源汽车电控用IGBT?？楣┯ι蘐OP10
（数据来源：NE研究院调研整理）
 

3.3 国内电控用功率?？槭谐≡げ?/strong>

 
中国乘用车市场在经历了2018、2019连续两年的下降后，随着乘用车报废量的持续上涨，市场新增需求扩大，2020年后乘用车总量将重新开始增长趋势。而另一方面，新能源乘用车市场在政策的强力驱动下，虽然17~18年呈现了爆发式的快速增长，从2019年开始，随着补贴的快速下降，政策对产量的拉动影响趋于减弱，而产量增长逐步趋于市场需求+政策影响双因素驱动。
 
NE研究院认为，2021~2022年左右，国内大部分企业将开始实现真正意义上的L3级别自动驾驶，汽车在电动化基础之上，自动化和智能网联化程度将大大提升，消费者对于新能源汽车的接受程度将有大幅提升，市场需求的增加将促进EV转化率增长速度进一步提升。
 
NE研究院预测，2019年新能源汽车市场的总产量将达到104.9万辆，较之2018年的99.3万辆同比增长5.7%。到2020年，新能源汽车市场的产量增幅将增大至155.6万辆，同比增长48.3%。
 
当前，100kW电控用IGBT?？榈某杀驹嘉?500元。2019上半年电控用功率器件的市场规模累计为8.5亿元。
图 12：新能源市场未来5年产量趋势预测
 （数据来源：NE研究院整理）
 
2019上半年新能源汽车市场每辆车电驱动系统平均功率为100kW。若以此为基础，今年BEV和PHEV销量增长带动电控用功率器件的市场，基本接近15.7亿元的规模。由于政策变动，今年新能源汽车市场增长趋势更加温和，电控用功率器件市场变化不大，但未来整个市场仍然是滚滚向前。
 
就国内新能源汽车市场而言，NE研究院预测，未来5年，NEV仍会保持增长趋势。国内新能源汽车市场总计到2025年将达到494.3万辆。仅在电控用功率器件就有着74亿元的潜力。
 
到电驱动层面，为了更高的性能，一辆电动汽车将在前后轴各分布一台电机，每套电机控制器将配备两个IGBT?？?。结合这两大趋势，国内的功率半导体供应商迎来飞跃的良机。

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文章来源自：NE研究院

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