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【芯智驾】从IGBT到SiC 改朝换代中的车用功率半导体

来源:爱集微

#芯智驾#

06-19 10:19

芯智驾──集萃产学研企名家观点,全面剖析AI芯片、第三代半导体等在汽车大变形时代的机会与挑战!

最新数据显示,全国2021年一季度共销售新能源汽车431850台,相较2019年增长了一倍,纯电动车型是其中绝对主导,销售359704台,占总体新能源乘用车的84%。

汽车的电动化已经成为不可逆的趋势,电驱系统将取代燃油发动机系统,作为核心部件的功率半导体也将迎来新的爆发期。

IGBT老当益壮

被称为汽车电控系统CPU的IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor,即绝缘栅双极型晶体管)是一种由双极性晶体管(BJT)和绝缘栅场效应管(MOS)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件,其特点是兼具了BJT的导通电压低、通态电流大、损耗小和MOS的开关速度高、输入阻抗高、控制功率小、驱动电路简单等优点,

通常来讲,IGBT在电动汽车中的应用主要集中在三个部分:首先是电控系统中,IGBT模块将直流变交流后驱动汽车电机(电控模块);其次是车载空调控制系统中,负责小功率直流/交流逆变,这个模块工作电压不高,单价相对也低一些;最后是充电桩中,IGBT模块被用作开关使用

图片来信达证券研发中心

电动车成本结构中最大者为电池,占比约40-50%,其次为电机驱动系统,约占全车成本15-20%。其中,IGBT占驱动系统一半左右,即IGBT占电动车约8-10%成本。若加上车载空调控制系统中IGBT,则成本占比更高。此外,高功率电动汽车要求更高水准的IGBT,这将间接提升整个电动汽车中IGBT的成本。

汽车充电桩是IGBT的另一大增量市场,预计2025年全球市场规模或达40.49亿美元,国内18.22亿美元。汽车充电桩分为直流IGBT充电桩和交流MOSFET充电桩,直流充电桩的优点在于充电速度快,缺点是价格高昂,其成本约4500美元,其中IGBT等功率器件占总成本的20%左右。

全球电动汽车IGBT市场规模预估在2025年将达到44亿美元,年复合增速约48.8%,是电动趋势下汽车功率半导体最受益的品种。

我国的汽车IGBT市场也同样发展迅速。2019年新能源汽车IGBT市场规模达到155亿元,随着市场的逐步回调,2020年市场规模已接近200亿元。

根据民生证券研究院统计,全球IGBT应用端来看,头部的公司主要有英飞凌(市占率32.7%)、三菱电机(市占率9.6%)、富士电机(市占率9.6%)、赛米控(市占率6%)、Vincotech(市占率4.4%)、日立(市占率2.7%)、斯达半导(市占率2.5%)。

国内市场同样被这些国际巨头所垄断,使得我国IGBT产品对外依赖度近95%。当前,国内市占率靠前的有英飞凌(市占率58.2%)、比亚迪(市占率18.0%)、三菱电机(市占率5.2%)、斯达半导(市占率1.6%)。

据业内人士透露,在A00级纯电动乘用车领域,90%的IGBT都来自斯达半导体;纯电动商用车领域,英飞凌、比亚迪、斯达和富士四分天下;在A级到C级新能源乘用车领域,除了比亚迪用自家的IGBT,其余新能源车企90%的IGBT产品都是英飞凌的天下。

同其他功率半导体一样,IGBT生命周期较长,产品迭代速率不追求摩尔定律,行业内也没有统一的技术标准,厂商各代产品之间并不完全对应。以行业内龙头厂商英飞凌的产品标准来看,目前已发展到第七代微沟槽+场截止型 IGBT。但是,除第一代平面栅+PT型IGBT已退出市场外,英飞凌其余各代产品仍有客户使用。

从家电到工业,IGBT的应用范围很广,但是以电动汽车对IGBT的要求为最高。有业内人士曾对IGBT在车内的工作需求做出过细致的分析:

l 拥堵路况时的频繁启停,IGBT模块工作电流会相应的频繁升降,从而导致IGBT结温快速变化,考验IGBT模块的寿命;

l 采用永磁同步电机的电动汽车启动、驻车时,电机工作在近似堵转工况,IGBT模块持续承受着大电流,从而会造成局部过热,对散热系统的设计带来了挑战;

l IGBT模块在车辆行驶中会受到较大的震动和冲击,这对于IGBT模块的各引线端子的机械强度提出了较高的要求。

综合诸多考量因素,IGBT模块供应商为进入市场,需首先通过下游电控厂及整车厂长达1-2年左右的验证周期,确保安全性、可靠性等必备要素基础上方有望大批量放量。

SiC的崛起

随着电池容量开始成为电动车的发展瓶颈,提高充电功率和效率,就成为提升电动车续航能力的有效途径。更具潜力的第三代半导体全面替代常见车用硅基功率器件的呼声大增。

SiC是最被看好能取代硅基器件(主要是IGBT)的材料。业内专家列举了SiC能取代IGBT的三个原因:一是SiC器件的工作结温在200℃以上,工作频率在100kHz以上,耐压可达20kV,这些性能都优于传统硅器件;二是SiC器件体积可减小到IGBT整机的1/3-1/5,重量可减小到40-60%;三是SiC器件还可以提升系统的效率,进一步提高性价比和可靠性。

将动力总成的部件保持在一个安全的工作温度范围内需要借助冷却系统,而这会大大增加纯电动汽车的行车自重。SiC的高热导性有助于更快带走热量,而且SiC器件能够在更高温度下工作,从而减轻与散热解决方案有关的压力。

在特斯拉为Model 3、Model S和Model X相继采用SiC后,SiC在牵引逆变器中的全部性能优势展露无疑。自那时起,车用SiC器件的发展速度不断加快,搭载SiC的新车型也开始增多。

2020年,比亚迪推出了加载SiC的纯电动车车型“汉”,次年推出的新款唐EV也加入了SiC电控系统。

2021年4月1日,蔚来旗舰轿车ET7首台生产线车身正式下线,采用了具备SiC功率模块的第二代高效电驱平台。而小鹏与理想也通过外部合作的方式,进行了SiC技术的相关布局。

不过,对于SiC能否全面取代IGBT,业内还有不同的声音。

制造SiC芯片面临的最大挑战来自于成本。由于SiC在磊晶制作上有材料应力上的不一致性,造成晶圆尺寸放大时,会有磊晶层接合面应力拉伸极限的问题,导致晶格损坏影响良率,故晶圆尺寸主流仍维持4寸或6寸,无法取得大尺寸晶圆成本优势。据业内人士介绍,同等级别的SiC MOSFET芯片,其成本是硅基IGBT的8-12倍。

其次,SiC MOSFET缺少长期可靠性数据,这一点还需要不断实验与改进。

而且,SiC功率模块面临的问题和IGBT一样,模块中不匹配的CTE(热膨胀系数)容易使各层相互分离,引发器件失效。SiC的问题更为严重,主要是材料密度引起的热耗散,因此需要有合适的封装和系统集成创新方案。

SiC MOSFET在更高频率和温度下运行的特性更胜一筹,是进入1200V级别功率器件的理想选择,但其高于硅的制造成本,加上IGBT技术已很成熟,让最新型的IGBT在市场上仍能立于不败之地,可以在标准化和广泛采用方面更进一步。

总体来看,硅基IGBT的电气特性接近SiC MOSFET芯片的90%,而成本则是SiC MOSFET的25%,因此,SiC和Si混合开关模块会有很大的市场应用前景,而纯SiC芯片及器件要想在汽车功率系统当中普及,还需要时间。

国内某知名分析机构就指出,目前SiC行业发展的痛点在于行业发展仍属初期,衬底材料高昂的制备成本和较低的良率带来的高售价,随着技术成熟及供应商产能扩张,SiC成本有望实现快速下降,将在未来五年时间内从电控、车载充电机、DC/DC、快充桩等多个应用场景对Si-MOSFET/Si-IGBT形成规模替代。

产能紧缺 国产机遇

始于2020年的半导体产能紧缺一直延续至2021年,多采用8寸晶圆制造的IGBT成为了重灾区。

据富昌电子2021年Q2市场行情报告显示,英飞凌的通用晶体管、低压MOSFET和IGBT产品货期最长达52周,安森美、Microsemi、罗姆、安世在内的功率半导体厂商,旗下IGBT、二极管等众多产品的供货周期都达到了16至52周,而前述功率半导体正常的供货周期基本在8周左右。

随着芯片的交付期一再拉长,部分车企在继续等待原供应商出货的同时,也开始尝试国产IGBT,并逐步与比亚迪半导体、斯达半导体等国产芯片供应商建立联系。

比亚迪在IGBT上投入最早,不但实现了自给自足,还可为国内其他车厂供货。专攻功率半导体的斯达半导体,IGBT技术也发展到了第六代,与国际领先水平非常接近。还有和比亚迪半导体同样采用IDM模式的中车,近年来也从高铁、电网、风电等领域加快向汽车半导体市场渗透。

国内公司与国际龙头的差距主要在工艺方面。目前,IGBT最具竞争力的生产线是8英寸和12英寸,国内晶圆生产企业此前大部分还停留在6英寸产品的阶段。仅有华虹成为除英飞凌之外唯一一家具备12寸IGBT量产能力的公司。比亚迪、中车、士兰微等几家国内企业则还只具备8英寸产品量产。

不过,看到缺芯带来机会的国产厂商已经纷纷开启扩产之路。比如,斯达半导体在2021年3月2号发布公告,拟定增募集35亿元资金,其中20亿元将用于高压特色工艺功率芯片和SiC研发及产业化项目。项目达产后,预计将形成年产36万片功率半导体芯片的生产能力。其他如比亚迪、士兰微等公司也纷纷宣布了自己的扩产计划。

在SiC方面,处于产业链最上游的SiC 衬底也是目前产能最紧缺的地方。市占率排名头三名的Cree、罗姆和II-VI已经开足马力来应对未来的市场爆发。国内在SiC方面的起步并不晚,并且将其视为最好的超越机会,因此投资热情空前高涨。根据集微咨询整理统计,2019-2020年,国内碳化硅产线已披露的投资扩产金额达到500亿元。

业内人士指出,由于国内存在着企业联合政府的带来资本性支出的显著放大效应,将很有希望在短期内就形成产能高峰。

其实,无论是IGBT还是SiC,当前的产能紧缺都带来了最好的国产替代窗口。抓住历史机遇,国产功率半导体将会迎来巨大的飞跃。(校对/Andrew)

责编: 慕容素娟

李延

作者

微信:Glxy523

邮箱:lixy@lunion.com.cn

作者简介

集微网记者,关注半导体投资、晶圆制造、IC设计、AI等领域

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