从汽车芯片产业格局揭秘罗姆等巨头2109年布局

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智能驾驶涉及人机交互、视觉处理、智能决策等,核心是 AI 算法和芯片。伴随汽车电子化提速,汽车半导体加速成长,2017 年全球市场规模 288 亿美元(+26%),远高于整车销量增速(+3%),其中占比最高的为功能芯片 MCU(66 亿美元,占比 23%),随后还包括功率半导体(21%)、传感器(13%)等。

 

汽车半导体按种类可分为功能芯片 MCU(Microcontroller Unit)、功率半导体(IGBT、MOSFET 等)、传感器及其他。根据Strategy Analytics,在传统燃油汽车中,MCU 价值量占比最高,为 23%;在纯电动车中,MCU 占比仅次于功率半导体,为 11%。DIGITIMES 预测,功能芯片 MCU 市场规模有望从2017 年 66 亿美元稳步提升至 2020 年 72 亿美元。

 

新能源汽车新增半导体用量中大部分是功率半导体。在传统汽车中,功率半导体主要应用在启动与发电、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。
 
由于新能源汽车普遍采用高压电路,当电池输出高电压时,需要频繁进行电压变换,这时电压转换电路(DC-DC)用量大幅提升,此外,还需要大量的DC-AC逆变器、变压器、换流器等,这些对IGBT、MOSFET、 二极管等半导体器件的需求量也有大幅增加。以上这些极大带动了汽车电子系统对功率器件需求的增加。
 
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%。

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▲纯电动汽车半导体按种类分类

 
功率半导体是电动车成本占比仅次于电池的第二大核心零部件。新能源电动车动力产生和传输过程与汽油发动机有较大差异,需要频繁进行电压变换和直流-交流转换。加之纯电动车对续航里程的高需求,使得电能管理需求更精细化,这些对IGBT、MOSFET、二极管等功率分立器件的需求远高于传统汽车。而作为新兴功率器件,IGBT在汽车需求的带动下,将出现爆发式增长。
 
随着新能源汽车的普及,IGBT作为重要的功率器件,受到了广泛的关注。IGBT 模块在电动汽车中发挥着至关重要的作用,是电动汽车及充电桩等设备的核心部件。有统计显示,IGBT模块占电动汽车成本将近10%,占充电桩成本约20%。
 
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IGBT 广泛运用于汽车电机控制系统,目前,汽车电机控制系统需要用到数十个IGBT。以特斯拉为例,特斯拉后三相交流异步电机每相要用到28个IGBT,总计要用84个IGBT,加上电机其他部位的IGBT,特斯拉共计使用了96个IGBT(双电机还要加前电机的36个)。按照 4~5美元/个的价格计算,双电机IGBT价值大概在650美元左右。
 
自从宽禁带半导体(WBG)产品进入市场以来,一个巨大的疑问一直存在:硅基器件还能继续走多远?使用SiC和GaN材料的器件表现出良好的性能,已经逐渐与现有的硅功率器件形成了竞争。例如,我们认为SiC的应用将会直接影响到IGBT市场,一个很大的可能性就是,SiC在可预见的未来将完全接管汽车市场。但我们预计IGBT在整个电力电子领域并不会被完全取代,仍会有相当一部分的市场份额。
 
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在未来几年,IGBT市场具有很好的投资价值。我们预计到2022年,全球IGBT市场总量将超过50亿美金,其主要增长将来自于功率模块的销售贡献。IGBT市场将得益于巨大的汽车市场影响,特别是在电动汽车(EV)和混合动力汽车(EHV)的电力传动部分应用。作为一个潜力巨大的新兴市场,EV/EHV前景十分广阔。在这一领域中,整个2016年IGBT市场份额为8.45亿美金,我们预计到2022年,EV/EHV领域将占整个IGBT市场的40%。
 
汽车领域一直是众多半导体厂商争相竞逐的市场版图,汽车电子也必将成为半导体行业的“芯”贵。众所周知,罗姆是一家拥有近60年历史的综合性半导体制造商,其解决方案涉猎范围非常广泛,尤其在汽车领域表现优异。
 
先进SiC技术,为Formula E提供技术保障
 
作为SiC功率元器件的领军企业,罗姆自2016年10月9日开始成为电动赛车顶级赛事Formula E参赛车队——文图瑞(VENTURI Formula E Team)的官方技术合作伙伴,为其赛车核心驱动部件逆变器提供技术支持,为其提供全球先进的SiC功率元器件。第3赛季提供了二极管(SiC-SBD),而从第4赛季开始,则提供集成了晶体管与二极管的“全SiC”功率模块。与未搭载SiC的第2赛季的逆变器相比,成功实现43%的小型化与6kg的轻量化。此次特别展出了搭载了罗姆的SiC功率元器件的逆变器模型。
 
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无银化高亮度红色LED,提高汽车尾灯性能
 
随着汽车刹车灯越来越多地采用LED灯,汽车尾气中的硫化物与刹车灯中金属银产生的化学产物,影响着LED灯的亮度,如何实现减少LED搭载数量的同时,消除LED衰减现象,提高产品亮度,成为了迫切需要解决的问题。而另一方面,在严酷环境下使用电子产品的汽车和工业设备领域的应用中,因环境因素导致金属材料腐蚀的硫化问题已成为经年老化的主因,防止硫化已成为确保可靠性不可或缺的一环。罗姆新产品SML-Y18U2T用金等其他材料取代了以往晶片键合焊膏及框架所使用的银,实现了完全无银化。据现场工程师介绍,在芯片的封装和制造过程中,完全实现无银化,此举消除了由于银受到腐蚀而引起LED亮度衰减现象,从而提高应用的可靠性。
 
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MOSFET与IGBT究竟孰胜孰负?

前阵子提到了IGBT的优势及发展,之后当然不能少了双子星的另一位——MOSFET了。随着 MOSFET 和 IGBT 之间选择的激增,当今的设计人员越来越难以为其应用选择最佳设备。 究竟何时何用该选择哪一个呢,切勿操之过急,仔细往下看你就能懂了。

进入尖端应用的IGBT

IGBT是新型电力电子器件的主流器件之一,国外IGBT已发展到第三代。可以毫不夸张的说,没有IGBT,就没有现今高铁的发展。IGBT在设计上将MOs和双机型晶体管结合起来,在性能上兼有双极型器件压降小、电流密度大和MOS器件开关快、频率特性好的双重优点:在制造业上、在高电压、大电流的晶闸管制造技术基础上采用了集成电路微细加工技术。

电子行业的“CPU”——IGBT

早在1979年,MOS栅功率开关器件作为IGBT概念的先驱即已被介绍到世间。之后的80年代初期,用于功率MOSFET制造技术的DMOS(双扩散形成的金属-氧化物-半导体)工艺被采用到IGBT中来。紧接着90年代中期,沟槽栅结构又返回到一种新概念的IGBT。在这种沟槽结构中,实现了在通态电压和关断时间之间折衷的更重要的改进。直到现在,大电流高电压的IGBT已模块化,它的驱动电路除上面介绍的由分立元件构成之外,现在已制造出集成化的IGBT专用驱动电路.其性能更好,整机的可靠性更高及体积更小。

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