新能源汽车带来的功率半导体需求

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汽车驱动半导体成长
 
近5年,全球汽车产量从2012年的8213万辆,增长至2017年的9704万辆,根据中国信息产网预估,从2018到2022年,全球汽车销量年均复合年增长率约为3.2%,预计2022年,全球汽车销量将增加至1.14亿辆。
 
中国汽车产业快速发展,增长率处于世界前列,产量由2012年的1930万辆增长至2017年的2900万辆,平均年复合增长率为8.5%,已成为全球最大的汽车制造国和消费国,2017年,约占全球总产量的29.8%。预计到2022年,中国汽车产量将增长至3970万辆,约占全球产量的36.6%,2017至2022的年复合增长率为6.5%。
 
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未来几年,电动汽车的销量增速有望超过50%。据EV sales统计,2017年全球电动车销量超过122万辆,同比增长了58%。2018 年,电动车销量明显提速,1~4月,全球电动车销售达到43.55万辆,较去年同期增长了68.18%,销量呈现出加速增长的态势。
 
受益于政策支持及销售补助,预计全球及中国新能源电动车销量的复合年增长率将达到32%,这将带动相关半导体,电子产业链的快速发展,汽车作为拉动半导体产业发展的三驾马车之一绝非虚言(5G、物联网和汽车电子被认为是下一波带动半导体产业发展的三大引擎)。
 
 
功率半导体需求增加
 
汽车中用量最多的半导体器件主要是三大类:传感器,MCU和功率半导体。
 
这三类中,MCU的市场份额最大,其次是功率半导体,功率半导体主要运用在动力控制系统、照明系统、燃油喷射、底盘安全等系统当中。
 
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。
 
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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%。
 
 
IGBT增长突出
 
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。
 
 
车用充电机
 
电动汽车车载充电机(OBC)主要用于为电动车动力电池安全、自动充满电,依据电池管理系统(BMS)提供的数据,充电机能动态调节充电电流或电压参数,执行相应的操作,完成充电过程。
 
车载充电机作为一个电力电子系统,主要由功率电路和控制电路组成。对于功率电路,由变压器和功率管组成的DC/DC变换器是其重要组成部分。对于控制电路,它的核心是控制器,用来实现与BMS的CAN通信,并控制功率电路按照三段式充电曲线给锂电池组充电。当车载充电机接上交流电后,并不是立刻将电能输出给电池,而是通过BMS电池管理系统,首先对电池的状态进行采集分析和判断,进而调整充电机的充电参数。
 
随着电动车的普及,车载充电机的用量越来越大,对相关功率器件和电源管理IC的需求量很大,而这些在传统的燃油动力车中是没有的,会吞食大量的功率半导体器件,其市场发展前景不容忽视。
 
 
功率半导体对汽车到底有多重要?
 
罗姆半导体上海有限公司高级工程师陆昀宏先生指出,SiC器件因为耐高压、耐高温、频率高和关断损耗有质得飞跃等特点,未来几年在车载市场的应用会有爆发性的增长。而罗姆得益于其从2000年就开始的SiC相关研究,积累了在这方面的深厚经验。在他看来,包括OBC和DC-DC在内的车载应用是SiC的主战场,而在车之外充电桩也会对SiC的有较大的需求。而罗姆在其中也提供了包括SiC MOSFET和全SiC模块等方案,提升了汽车的续航和体验。
 
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“目前来说SiC在新能源车里面,可以说是一个主流或者说趋势,是一个更加契合新能源车市场的新材料,我们罗姆也会今后对这一块做大力的研发和市场的支持,也希望大家今后在开发的时候多多考虑SiC”,陆昀宏补充说。

 

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