隨著信息技術(shù)和汽車的不斷變革，汽車內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化帶來了電子零部件價(jià)值量增加。其帶來的不僅僅是電機(jī)、電控及電池領(lǐng)域的增長(zhǎng)，從內(nèi)部零部件角度來說，汽車半導(dǎo)體升級(jí)空間廣闊。汽車中用量最多的半導(dǎo)體器件主要是三大類：傳感器，MCU和功率半導(dǎo)體。這三類中，MCU的市場(chǎng)份額最大，其次是功率半導(dǎo)體，功率半導(dǎo)體主要運(yùn)用在動(dòng)力控制系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、燃油噴射、底盤安全等系統(tǒng)當(dāng)中。
新能源汽車新增半導(dǎo)體用量中大部分是功率半導(dǎo)體。在傳統(tǒng)汽車中，功率半導(dǎo)體主要應(yīng)用在啟動(dòng)與發(fā)電、安全等領(lǐng)域，占傳統(tǒng)汽車半導(dǎo)體總量的20%，單車價(jià)值約為60美元。
根據(jù)麥肯錫的統(tǒng)計(jì)，純電動(dòng)汽車的半導(dǎo)體成本為704美元，比傳統(tǒng)汽車的350美元增加了1倍，其中功率器件成本高達(dá)387美元，占55%。純電動(dòng)汽車相比傳統(tǒng)汽車新增的半導(dǎo)體成本中，功率器件成本約為269美元，占新增成本的76%。功率半導(dǎo)體器件是實(shí)現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換的核心器件新能源電動(dòng)汽車將不再需要汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，油箱或變速器。決定電動(dòng)汽車性能的關(guān)鍵部件是電動(dòng)機(jī)，PCU以及其他核心電氣部件。電源模塊包含車載充電器、變頻器、轉(zhuǎn)換器等電力設(shè)備，而這些設(shè)備中全都包含功率半導(dǎo)體。
電動(dòng)汽車配備有大容量可充電電池，其利用儲(chǔ)存的能量來驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)并為汽車供電。可充電電池不能直接連接到電機(jī)，它們通常通過電機(jī)逆變器連接，簡(jiǎn)稱為逆變器。逆變器通常將DC12V的直流電轉(zhuǎn)換為和市電相同的AC220V交流電。
資料來源：電子元件技術(shù)網(wǎng)，天風(fēng)證券研究所
交流充電樁提供的是交流電（AC100V-240V），而高壓鋰離子電池（LIB）需要用直流（DC）充電，因此充電器必須要有直流轉(zhuǎn)換器。車載充電器電壓范圍一般在85V-265V，這樣使得車輛可以在世界任何地方充電。在車載充電器中有大量的功率三極管作為功率開關(guān)器件使用。功率三極管包括了雙極型管，MOS管以及IGBT。
資料來源：電子元件技術(shù)網(wǎng)，天風(fēng)證券研究所新能源汽車帶來的功率半導(dǎo)體質(zhì)的變化不同新能源汽車電力系統(tǒng)的主要作用不同，中微混汽車的電力系統(tǒng)主要在空擋滑行時(shí)提供電動(dòng)助力，而全混或者純電動(dòng)汽車的電力系統(tǒng)主要功能則是提供電力驅(qū)動(dòng)。一方面，由于電力系統(tǒng)的主要功能不同，不同新能源汽車電力系統(tǒng)的運(yùn)行電壓功率的范圍差異巨大。中混汽車的電壓一般在150V以下，而全混合純電動(dòng)汽車的電壓超過400V甚至更高。另一方面，不同功率半導(dǎo)體的工作電壓不同，IGBT適合高壓工作，而MOSFET適合低壓工作。在電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，IGBT用于逆變器模塊，該模塊將蓄電池的直流電轉(zhuǎn)換交流電驅(qū)動(dòng)電機(jī)。在電源系統(tǒng)中，IGBT用于各種交流/直流與直流/直流變換器中，實(shí)現(xiàn)為蓄電池充電與完成所需電壓等級(jí)的電源變換等功能。同時(shí)，新能源汽車充電樁中也需要大量使用IGBT。因此，新能源汽車導(dǎo)致了汽車功率半導(dǎo)體種中IGBT/MOSFET的使用量越來越大，種類也越來越多。
資料來源：EEWorld，天風(fēng)證券研究所▼英飛凌全電壓范圍應(yīng)用的新能源汽車功率器件
資料來源：EEPW網(wǎng)站，天風(fēng)證券研究所
IGBT模塊在電動(dòng)汽車中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，是電動(dòng)汽車及充電樁等設(shè)備的核心部件。有統(tǒng)計(jì)顯示，IGBT模塊占電動(dòng)汽車成本將近10%，占充電樁成本約20%。IGBT廣泛運(yùn)用于汽車電機(jī)控制系統(tǒng)，目前，汽車電機(jī)控制系統(tǒng)需要用到數(shù)十個(gè)IGBT。以特斯拉為例，特斯拉后三相交流異步電機(jī)每相要用到28個(gè)IGBT，總計(jì)要用84個(gè)IGBT，加上電機(jī)其他部位的IGBT，特斯拉共計(jì)使用了96個(gè)IGBT（雙電機(jī)還要加前電機(jī)的36個(gè)）。按照4~5美元/個(gè)的價(jià)格計(jì)算，雙電機(jī)IGBT價(jià)值大概在650美元左右。IGBT(InsulatedGateBipolarTransistor)，又稱為絕緣柵雙極型晶體管，兼有傳統(tǒng)的金屬氧化物場(chǎng)效晶體管（MOSFET）與半導(dǎo)體三極管（BJT）的優(yōu)點(diǎn)，輸入阻抗高，電流承載能力較強(qiáng)。而廣泛應(yīng)用于高壓變流系統(tǒng)，如交流電機(jī)、電力傳輸、照明電路、牽引傳動(dòng)等等。第五、六代部件是在IGBT經(jīng)歷了多次技術(shù)革新后出現(xiàn)的先進(jìn)產(chǎn)品，各項(xiàng)綜合指標(biāo)提升十分明顯，尤其是第六代IGBT硅片用薄化晶片工藝將非穿通結(jié)構(gòu)改為穿通型，承受工作電壓水平直接提高到6500V，在性能上出現(xiàn)了極大飛躍（實(shí)際產(chǎn)品中，第六代優(yōu)值系數(shù)可高于第五代30%）。IGBT器件在工作頻率在中壓、中電流的功率半導(dǎo)體器件的應(yīng)用范圍內(nèi)占據(jù)了主導(dǎo)地位，輸出功率可達(dá)到兆瓦級(jí)。近年來電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展為電機(jī)控制器、輔助電源（DC/AC、DC/DC、充電機(jī)）等關(guān)鍵零部件行業(yè)提供了強(qiáng)大的市場(chǎng)需求，同時(shí)下游產(chǎn)業(yè)鏈中核心器件——IGBT也迎來了良好的發(fā)展機(jī)遇。在結(jié)構(gòu)方面，IGBT比MOSFET多一層P+區(qū)，通過P層空穴的注入能夠降低器件的導(dǎo)通電阻。隨著電壓的增大，MOSFET的導(dǎo)通電阻也變大，因而其傳導(dǎo)損耗比較大，尤其是在高壓應(yīng)用場(chǎng)合中。相較而言，IGBT的導(dǎo)通電阻較小。▼(a) MOSFET結(jié)構(gòu)圖； (b) IGBT結(jié)構(gòu)圖
資料來源：ElectronicDesign，天風(fēng)證券研究所在車載零部件中，電機(jī)控制器將儲(chǔ)能系統(tǒng)的直流電逆變?yōu)槿嘟涣麟姡⒏鶕?jù)車輛需求控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)，為新能源汽車提供基本驅(qū)動(dòng)力；同時(shí)在車輛制動(dòng)時(shí)將動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能至儲(chǔ)能系統(tǒng)，是主要的能量轉(zhuǎn)換器件。其不僅負(fù)荷較重、控制精度要求高，而且還要兼顧電動(dòng)汽車的電壓等級(jí)、功率等級(jí)、極限環(huán)境、功率密度、使用壽命、控制成本等要求。針對(duì)電動(dòng)汽車運(yùn)行情況的需求，電動(dòng)汽車的IGBT芯片正朝著小型化、抗震動(dòng)、低損耗、耐高溫、更高安全性以及智能化方向發(fā)展。國(guó)外先進(jìn)企業(yè)如英飛凌、富士、三菱等均開發(fā)了新一代電動(dòng)汽車IGBT芯片，目前IGBT產(chǎn)品汽車市場(chǎng)國(guó)產(chǎn)占有率仍然較低。株洲中車時(shí)代電氣已開發(fā)1700V~6500V系列IGBT產(chǎn)品，并在軌道交通、智能電網(wǎng)等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)商用，在此基礎(chǔ)上開發(fā)了T5代適合電動(dòng)汽車應(yīng)用的750V/200A、1200V/200A以及750V/300A規(guī)格雙面可焊的高性能IGBT芯片，目前處于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平。華虹宏力基于6英寸和8英寸的平面型和溝槽型1700V、2500V和3300V的IGBT芯片已進(jìn)入量產(chǎn)。國(guó)內(nèi)IGBT的主要市場(chǎng)份額均被美、日、歐洲等海外企業(yè)所壟斷，總部位于浙江嘉興的斯達(dá)半導(dǎo)體（starpower）是我國(guó)目前國(guó)內(nèi)最大的IGBT模塊生產(chǎn)廠家，2016年斯達(dá)半導(dǎo)體在IGBT模塊領(lǐng)域的全球市場(chǎng)占有率為2.5%，排全球第9位。▼2016年全球IGBT半導(dǎo)體市場(chǎng)份額（%）
功率半導(dǎo)體市場(chǎng)基本被海外壟斷，國(guó)內(nèi)企業(yè)替代空間廣闊雖然功率半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)極具重要性，且規(guī)模龐大，但是主要供應(yīng)商集中在美國(guó)、日本和歐洲。美國(guó)是電力電子器件的發(fā)源地，在全球電力電子器件市場(chǎng)中占有重要地位，主要器件企業(yè)有ONSemi等。從上世紀(jì)90年代開始，日本成為國(guó)際上電力電子器件產(chǎn)業(yè)的發(fā)達(dá)地區(qū)，主要器件企業(yè)有東芝、富士和三菱等。歐洲也是全球電力電子器件產(chǎn)業(yè)的發(fā)達(dá)地區(qū)，主要企業(yè)有英飛凌、ABB、Semikron等。美國(guó)汽車制造商通常從日本汽車零部件供應(yīng)商處采購。通用汽車由日立AMS和TDK供應(yīng)零部件，而福特汽車則從東芝采購傳動(dòng)相關(guān)零部件。就混合動(dòng)力汽車而言，日本汽車制造商水平要高于美國(guó)，美國(guó)企業(yè)的策略是短期從日本供應(yīng)商采購部件，同時(shí)在內(nèi)部開發(fā)自己的部件，以逐步進(jìn)行生產(chǎn)替代，這對(duì)國(guó)內(nèi)汽車企業(yè)零部件國(guó)產(chǎn)替代化起到了良好示范作用。▼功率半導(dǎo)體市場(chǎng)主要參與廠家
資料來源：各公司網(wǎng)站，天風(fēng)證券研究所在日本的汽車制造商中，豐田汽車的所有這些零部件的內(nèi)部生產(chǎn)比例都很高。本田汽車的傳動(dòng)系統(tǒng)相關(guān)的部件內(nèi)部生產(chǎn)比例很高，從外部采購電池和轉(zhuǎn)換器相關(guān)部件。日產(chǎn)汽車內(nèi)部?jī)?yōu)先生產(chǎn)電機(jī)和逆變器，從日本國(guó)內(nèi)供應(yīng)商處采購其他部件。三菱汽車和馬自達(dá)汽車的核心部件主要從外部采購獲得。在歐洲的汽車制造商中，大眾汽車的外部零件采購比例較高，主要供應(yīng)商為采埃孚（ZF）和博世（Bosch）。TDK在為歐洲汽車制造商提供轉(zhuǎn)換器方面有著悠久的歷史，日本松下也有為其提供鋰離子電池的市場(chǎng)份額。日立AMS向美國(guó)和歐洲的汽車制造商提供電機(jī)和逆變器。作為混合動(dòng)力汽車、插電式混合動(dòng)力汽車和電動(dòng)汽車的核心，驅(qū)動(dòng)電機(jī)由豐田汽車，本田汽車和日產(chǎn)汽車等日本主要汽車制造商內(nèi)部生產(chǎn)，而馬自達(dá)和富士重工從豐田汽車生產(chǎn)汽車。這些電子制造商也有供應(yīng)日本國(guó)外汽車制造商的記錄：日立AMS供應(yīng)通用汽車，東芝供應(yīng)福特汽車，日本電產(chǎn)供應(yīng)戴姆勒。日立和三菱電機(jī)作為一家重型電機(jī)制造商擁有悠久的電機(jī)生產(chǎn)歷史，并且在這一領(lǐng)域擁有出色的技術(shù)，但當(dāng)前電機(jī)發(fā)展市場(chǎng)擴(kuò)張速度較為謹(jǐn)慎。逆變器和變頻器有助于控制整個(gè)車輛的電壓。它們被稱為功率控制單元（PCU）。豐田汽車為其核心車型生產(chǎn)自己的PCU，對(duì)于普銳斯而言，要么是公司自己生產(chǎn)IGBT、基板、機(jī)箱、DC-DC轉(zhuǎn)換器，要么就由豐田代工。本田汽車為其混合動(dòng)力汽車，插入式混合動(dòng)力汽車和電動(dòng)汽車的智能功率單元（IPU）組裝PCU，鎳氫電池，鋰離子電池組和電池平衡ECU。本田飛度的IPU包含外部采購的零件，如三菱電機(jī)的逆變器和TDK的DC-DC轉(zhuǎn)換器。本田汽車與三菱電機(jī)有很緊密的業(yè)務(wù)關(guān)系。逆變器是PCU和IPU中最重要的部分，由IGBT和其他功率器件組成。豐田、普銳斯使用由富士電機(jī)制造的逆變器。本田Insight系列采用三菱電機(jī)的逆變器，三菱iMiEV系列采用日立生產(chǎn)的逆變器。在DC-DC轉(zhuǎn)換器中，豐田工業(yè)和電裝供應(yīng)豐田汽車。電裝和松下為日產(chǎn)汽車供應(yīng)DC-DC轉(zhuǎn)換器。TDK，ShindengenElectric，豐田工業(yè)和電裝供應(yīng)本田汽車。在電子產(chǎn)品制造商中，尼吉康為馬自達(dá)和三菱汽車提供DC-DC轉(zhuǎn)換器。除了供應(yīng)本田汽車和其他日本汽車制造商之外，TDK似乎也有供應(yīng)通用汽車、福特汽車和大眾汽車的記錄。混合動(dòng)力汽車，插電式混合動(dòng)力汽車和電動(dòng)汽車用電池是由汽車制造商和電池制造商之間形成的多家合資企業(yè)采購的，旨在磨練其發(fā)展的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。中國(guó)功率半導(dǎo)體市場(chǎng)在中高端MOSFET及IGBT主流器件市場(chǎng)上，主要份額依賴進(jìn)口，基本被國(guó)外歐美、日本企業(yè)壟斷，國(guó)內(nèi)企業(yè)替代空間非常廣闊。▼2016-2022年全球功率半導(dǎo)體市場(chǎng)規(guī)模/億美元
▼全球功率半導(dǎo)體市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)格局
資料來源：電子工程世界，天風(fēng)證券研究所
