IGBT在整車中的成本占比增加

據(jù)Informa Tech的數(shù)據(jù)顯示，全球IGBT市場(chǎng)規(guī)模早在2018年就達(dá)到了62.2億美元，同比增速為17.4%（2017年市場(chǎng)規(guī)模為53.03億美元）。FKZesmc

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圖1 制圖：國(guó)際電子商情 數(shù)據(jù)來(lái)源：麥肯錫FKZesmc

近年來(lái)，IGBT市場(chǎng)規(guī)模的擴(kuò)大，主要受汽車電動(dòng)化趨勢(shì)推動(dòng)。據(jù)麥肯錫統(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，而功率器件的成本高達(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%。按集成度來(lái)分，功率器件可分為功率IC、功率模塊和功率分立器件三類。其中，功率分立器件又由MOSFET、功率二極管、IGBT及其他零部件組成。FKZesmc

如果繼續(xù)往下細(xì)分，在新能源汽車中的電池、電機(jī)、電控系統(tǒng)是成本占比最大的部件，電池約占整車成本的40%，電機(jī)占15%，電控系統(tǒng)占12%，電驅(qū)動(dòng)零部件占8%，剩余25%是其他零部件。當(dāng)然，不同品牌、不同車型之間存在細(xì)微的差別，《國(guó)際電子商情》列舉的這組數(shù)據(jù)僅供參考。FKZesmc

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圖2 IGBT在汽車電機(jī)控制器中占據(jù)37%的成本 制圖：國(guó)際電子商情 數(shù)據(jù)來(lái)源：北斗航天汽車FKZesmc

北斗航天汽車分析了汽車電控系統(tǒng)的成本結(jié)構(gòu)：IGBT模組約占電控成本的37%，其次是控制電路板、驅(qū)動(dòng)電路板和電機(jī)控制器殼體，它們的成本占比分別為16%、12%、12%。若再加上充電系統(tǒng)中的IGBT，這個(gè)成本占比的數(shù)值將會(huì)更高。FKZesmc

究竟IGBT成本具體占整車成本的百分之幾？FKZesmc

集幫咨詢?cè)凇?019中國(guó)IGBT產(chǎn)業(yè)發(fā)展及市場(chǎng)報(bào)告》中表示，新能源汽車中的IGBT成本約占整車成本的10%?；谝陨闲畔⒖深A(yù)測(cè)，到2025年，中國(guó)車用IGBT市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到210億人民幣。另外，IGBT模塊成本約占充電樁成本的20%，到2025年，國(guó)內(nèi)充電樁用IGBT市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)100億元人民幣。FKZesmc

通過(guò)觀察以上數(shù)據(jù)大致可推斷出，在未來(lái)幾年內(nèi)，中國(guó)新能源汽車市場(chǎng)將是全球IGBT廠商爭(zhēng)奪的“高地”。中國(guó)各級(jí)政府和社會(huì)各領(lǐng)域?qū)π履茉雌嚨闹С?，將促使中?guó)IGBT產(chǎn)業(yè)鏈的繁榮發(fā)展。FKZesmc

功率器件廠商的布局

從小到家電，大到飛機(jī)、艦船、交通、電網(wǎng)等產(chǎn)業(yè)，IGBT器件均有出色的表現(xiàn)，它被稱為電力電子行業(yè)里的“CPU”。其中，以汽車、高鐵IGBT的應(yīng)用最具代表，這兩個(gè)領(lǐng)域也是中國(guó)人當(dāng)前關(guān)注的重點(diǎn)，各功率器件廠商也都聚焦于此。FKZesmc

英飛凌大中華區(qū)汽車電子事業(yè)部高級(jí)市場(chǎng)經(jīng)理高金萍表示，中國(guó)政策紅利的不斷釋放將推動(dòng)新能源汽車和充電樁市場(chǎng)的快速增長(zhǎng)。根據(jù)國(guó)家發(fā)改委、工信部等四部委聯(lián)合發(fā)布的《電動(dòng)汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展指南（2015-2020）》預(yù)測(cè)，2020年電動(dòng)汽車保有量將超過(guò)500萬(wàn)輛，計(jì)劃2020年全國(guó)車樁比實(shí)現(xiàn)1:1。預(yù)計(jì)在2020-2025年期間，充電樁的市場(chǎng)規(guī)模將超過(guò)1000億元人民幣。電動(dòng)汽車和充電樁市場(chǎng)規(guī)模的擴(kuò)大，將進(jìn)一步刺激市場(chǎng)對(duì)IGBT的需求。FKZesmc

對(duì)此，英飛凌在車用IGBT方面做了新的投資。2018年，英飛凌與上汽集團(tuán)在上海成立了合資企業(yè)——上汽英飛凌汽車功率半導(dǎo)體（上海）有限公司，新公司主要為中國(guó)市場(chǎng)提供汽車級(jí)框架式IGBT模塊HybridPACKTM。該模塊針對(duì)混動(dòng)和純電動(dòng)車而設(shè)計(jì)，適合于主逆變器應(yīng)用，功率范圍已覆蓋100-200千瓦，未來(lái)將規(guī)劃到更高的功率段。據(jù)了解，2019年12月，上汽英飛凌宣布HybridPACKTM已經(jīng)實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。FKZesmc

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意法半導(dǎo)體亞太區(qū)功率分立和模擬產(chǎn)品部區(qū)域市場(chǎng)和應(yīng)用副總裁Francesco MuggeriFKZesmc

意法半導(dǎo)體（以下簡(jiǎn)稱ST）亞太區(qū)功率分立和模擬產(chǎn)品部區(qū)域市場(chǎng)和應(yīng)用副總裁Francesco Muggeri告訴《國(guó)際電子商情》分析師：“我們堅(jiān)信汽車行業(yè)是IGBT、SiC以及其他功率器件發(fā)展的重要推力，我們還認(rèn)為IGBT將繼續(xù)作為家用電器、儲(chǔ)電系統(tǒng)、UPS、焊接設(shè)備等熱點(diǎn)應(yīng)用的理想之選。所有這些大規(guī)模應(yīng)用，將讓IGBT保持規(guī)模經(jīng)濟(jì)成為可能，在電力電子領(lǐng)域繼續(xù)發(fā)揮作用。因?yàn)镮GBT市場(chǎng)還在蓬勃發(fā)展，所以ST會(huì)繼續(xù)投資IGBT。”FKZesmc

據(jù)悉，ST當(dāng)前可為用戶提供標(biāo)準(zhǔn)封裝的STPOWER IGBT芯片和裸片、適用于汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火開(kāi)關(guān)以及適用于電動(dòng)和混動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)逆變器的模塊。FKZesmc

三菱電機(jī)更專注IGBT在高鐵列車組上的應(yīng)用，該公司早在20世紀(jì)60年代就已經(jīng)開(kāi)始研發(fā)IGBT芯片，是中國(guó)高鐵IGBT芯片領(lǐng)域的重要供應(yīng)商，也是歐洲阿爾斯通、西門子、龐巴迪等集團(tuán)主要的IGBT供應(yīng)商。FKZesmc

如今，無(wú)論是汽車用IGBT，還是高鐵用IGBT，這些器件都實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化。國(guó)內(nèi)汽車用IGBT產(chǎn)業(yè)鏈布局較完善的企業(yè)，有比亞迪半導(dǎo)體、斯達(dá)半導(dǎo)等廠商。其中，比亞迪掌控了IGBT芯片設(shè)計(jì)和制造、模組設(shè)計(jì)和制造、大功率器件測(cè)試應(yīng)用平臺(tái)、電源及電控等環(huán)節(jié)。在高鐵IGBT芯片方面，中車株洲經(jīng)過(guò)5年的研發(fā)，具備了高壓IGBT芯片的自主研發(fā)能力。目前，該公司IGBT產(chǎn)品不再局限于高速列車，已經(jīng)向著大功率機(jī)車IGBT芯片進(jìn)發(fā)。[!--empirenews.page--]FKZesmc

中資企業(yè)在IGBT芯片技術(shù)上的突破，進(jìn)一步加劇了該市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)，也鞭策國(guó)內(nèi)外廠商朝更新的方向布局。實(shí)際上，未雨綢繆也一直都是功率器件“領(lǐng)頭羊”們的做法。FKZesmc

如何看待IGBT和SiC？

目前，SiC的工藝及技術(shù)仍待成熟，廠商都在積極布局。有人認(rèn)為IGBT遲早會(huì)被SiC取代，發(fā)展IGBT還不如專注SiC，功率器件廠商對(duì)這種觀點(diǎn)持怎樣的態(tài)度？FKZesmc

作為全球功率器件的佼佼者，英飛凌在IGBT市場(chǎng)上的地位舉足輕重。英飛凌高金萍告訴《國(guó)際電子商情》分析師，雖然車規(guī)級(jí)SiC器件的市場(chǎng)規(guī)模預(yù)計(jì)將非常可觀，但是當(dāng)前SiC主要應(yīng)用在主逆變器、OBC、DC/DC、壓縮機(jī)上，IGBT仍是應(yīng)用在汽車領(lǐng)域的主流功率器件。比如，英飛凌在汽車領(lǐng)域的一系列IGBT產(chǎn)品組合，以裸芯片、單管、功率模塊和組件為主，方案可覆蓋主逆變器、車載充電機(jī)、PTC加熱器、壓縮機(jī)、水泵和油泵等新能源汽車應(yīng)用。FKZesmc

近年來(lái)，ST通過(guò)一系列并購(gòu)，加強(qiáng)了其在SiC上的技術(shù)實(shí)力。但Francesco說(shuō)，雖然ST在SiC方面積極發(fā)展，但是這并不代表ST會(huì)忽視IGBT。即使SiC率先引發(fā)了棄用內(nèi)燃機(jī)的趨勢(shì)，IGBT在其中的作用也功不可沒(méi)。隨著大家對(duì)城市用車需求的增加，IGBT在中小型電動(dòng)汽車（功率≤200 kW）中將有較好的應(yīng)用。此外，硅基IGBT受益于溝槽技術(shù)的應(yīng)用、封裝技術(shù)和新封裝材料的改進(jìn)，推動(dòng)了晶圓技術(shù)以及器件性能的改進(jìn)。廠商出于對(duì)成本效率的考慮，已經(jīng)在基于300mm（12英寸）的晶圓上來(lái)生產(chǎn)IGBT芯片。FKZesmc

大家認(rèn)為IGBT還有很大的市場(chǎng)空間，廠商需要做的是在維持IGBT業(yè)務(wù)發(fā)展的同時(shí)，也要投入更多的精力去探索新的SiC技術(shù)。FKZesmc

供應(yīng)商在SiC的進(jìn)展如何？

在電動(dòng)汽車領(lǐng)域，SiC器件的性能具備明顯的優(yōu)勢(shì)。SiC的高溫特性和高熱導(dǎo)性能，可以顯著減少散熱器的體積和降低成本，其高頻特性有助于提高電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的功率密度、減小體積、降低重量，并推動(dòng)新型拓?fù)洳牧显陔姍C(jī)驅(qū)動(dòng)、充電樁和車載充電器中的應(yīng)用。FKZesmc

具體來(lái)看：SiC器件工作溫度在200℃以上，工作頻率在100kHz以上，耐壓可達(dá)20kV，這些性能均優(yōu)于傳統(tǒng)硅器件；SiC器件的體積為IGBT整機(jī)的三分之一至五分之一，重量為IGBT的40%-60%；還可提升系統(tǒng)的效率，在電動(dòng)汽車不同工況下，SiC器件比IGBT的功耗降低60%-80%，效率提升1%-3%。FKZesmc

諸多優(yōu)勢(shì)讓功率器件廠商對(duì)SiC持有積極的態(tài)度，英飛凌、三菱電機(jī)和ST都圍繞SiC做了布局。FKZesmc

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英飛凌大中華區(qū)汽車電子事業(yè)部高級(jí)市場(chǎng)經(jīng)理高金萍FKZesmc

據(jù)高金萍介紹，英飛凌能全面提供硅(Si)、碳化硅(SiC)、絕緣柵雙極晶體管(IGBT)和氮化鎵(GaN)器件。英飛凌在碳化硅技術(shù)領(lǐng)域擁有25年的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)，主要針對(duì)主逆變器及車載充電機(jī)等應(yīng)用領(lǐng)域都有相關(guān)的產(chǎn)品。其碳化硅技術(shù)應(yīng)用到主逆變器，在基于800伏的系統(tǒng)下，可實(shí)現(xiàn)7%以上的續(xù)航里程的提升。FKZesmc

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意法半導(dǎo)體大中華區(qū)功率器件高級(jí)技術(shù)市場(chǎng)經(jīng)理周志強(qiáng)FKZesmc

ST大中華區(qū)功率器件高級(jí)技術(shù)市場(chǎng)經(jīng)理周志強(qiáng)表示，2019年上半年，ST對(duì)外宣布將大力發(fā)展碳化硅業(yè)務(wù)，并將其作為戰(zhàn)略和收入的關(guān)鍵部分的計(jì)劃。ST管理層提出到2025年ST SiC的市場(chǎng)份額將占整體市場(chǎng)份額30%的目標(biāo)。此外，2019年12月，ST完成了對(duì)碳化硅襯底制造商N(yùn)orstel AB的收購(gòu)。FKZesmc

通過(guò)這次并購(gòu)，ST增強(qiáng)了內(nèi)部的SiC生態(tài)系統(tǒng)，使其能夠更好地控制晶片的良率和質(zhì)量改進(jìn)，為碳化硅長(zhǎng)遠(yuǎn)規(guī)劃和業(yè)務(wù)發(fā)展提供支持。目前，ST是SiC MOSFET和二極管等產(chǎn)品的市場(chǎng)領(lǐng)導(dǎo)者，也還是電動(dòng)汽車市場(chǎng)650V和1200V SiC MOSFET的主要供應(yīng)商。FKZesmc

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三菱電機(jī)機(jī)電（上海）有限公司功率器件應(yīng)用第二課（工業(yè)與新能源）經(jīng)理馬先奎FKZesmc

三菱電機(jī)的SiC器件廣泛應(yīng)用于牽引變流器、空調(diào)、伺服驅(qū)動(dòng)、光伏逆變器、醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域。三菱電機(jī)機(jī)電（上海）有限公司功率器件應(yīng)用第二課（工業(yè)與新能源）經(jīng)理馬先奎表示，從上世紀(jì)90年代開(kāi)始，三菱電機(jī)就已經(jīng)著手SiC器件的研發(fā)，今年年底將完成第2代SiC MOSFET模塊的開(kāi)發(fā)，新SiC MOSFET模塊基于6英寸晶圓制造。FKZesmc

馬先奎預(yù)估了SiC模塊的兩個(gè)趨勢(shì)：“一方面，SiC市場(chǎng)的發(fā)展對(duì)通用封裝的模塊有需求，以追求商務(wù)方面的價(jià)格談判和靈活供應(yīng)的主動(dòng)性。從通用性方面來(lái)判斷，SiC的模塊將與目前的IGBT模塊一樣，會(huì)出現(xiàn)適用于SiC性能的通用封裝；另一方面，新能源發(fā)電、電動(dòng)車等市場(chǎng)的差異化競(jìng)爭(zhēng)，對(duì)SiC模塊提出了更高的要求。SiC對(duì)新能源發(fā)電應(yīng)用效率的提升，符合光伏逆變器的發(fā)展需求。因此，未來(lái)功率模塊廠家將與光伏逆變器廠家在系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面有更緊密的合作。”FKZesmc

SiC產(chǎn)業(yè)鏈正在發(fā)展，IGBT還有一定商機(jī)

在國(guó)際功率器件廠商的布局中，我們能看出大家對(duì)SiC抱有的期待。不過(guò)，在前文中我們也強(qiáng)調(diào)，離SiC的大規(guī)模商用還有一些距離。雖然個(gè)別廠商已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了技術(shù)突破，但總體來(lái)看SiC產(chǎn)業(yè)鏈還未成熟，已經(jīng)取得技術(shù)突破的主要以國(guó)際廠商為主，國(guó)內(nèi)的SiC產(chǎn)業(yè)鏈還處于起步階段。[!--empirenews.page--]FKZesmc

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表1 SiC產(chǎn)業(yè)鏈信息匯總（部分）FKZesmc

從產(chǎn)業(yè)鏈角度來(lái)看，SiC包括單晶襯底、外延片、器件設(shè)計(jì)、器件制造等環(huán)節(jié)。FKZesmc

在外資產(chǎn)業(yè)鏈中，單晶襯底主要以美日歐供應(yīng)商為主，比如來(lái)自美國(guó)的Cree、Dow Corning、II-VI，來(lái)自日本的SiCrystal、新日鐵住金，來(lái)自歐洲的Norstel（被ST收購(gòu)）。外延片供應(yīng)商主要有Dow Corning、Cree、英飛凌（德），日本的羅姆、三菱電機(jī)，Norstel。SiC器件代表廠商主要有歐洲的ST、英飛凌（CoolSiC™ MOSFET）、Cree，羅姆等。FKZesmc

國(guó)內(nèi)SiC產(chǎn)業(yè)鏈中，在材料、器件方面的競(jìng)爭(zhēng)格局初顯。FKZesmc

首先，SiC單晶和外延片環(huán)節(jié)相對(duì)較成熟。國(guó)內(nèi)單晶襯底供應(yīng)商有：山東天岳、天科合達(dá)、河北同光、中科節(jié)能、中電科裝備等。在這些廠商的共同努力下，國(guó)內(nèi)開(kāi)發(fā)出了6英寸導(dǎo)電性SiC襯底和高純半絕緣SiC襯底；國(guó)內(nèi)的瀚天天成、東莞天域半導(dǎo)體、國(guó)民天成等企業(yè)可提供4-6英寸外延片，中電科13所、中電科55所外延片不對(duì)外供應(yīng)。FKZesmc

其次，在SiC模塊、器件制造環(huán)節(jié)，國(guó)內(nèi)出現(xiàn)一批較為優(yōu)秀的企業(yè)。代表廠商有：三安集成、海威華芯、泰科天潤(rùn)、中車時(shí)代等（詳細(xì)名單見(jiàn)表2）。FKZesmc

雖然SiC產(chǎn)業(yè)鏈已初步成型，但是SiC存在良率問(wèn)題，使得SiC器件的成本過(guò)高。目前，同一級(jí)別的SiC MOSFET的成本約是IGBT的8-12倍，在其耗損也大于IGBT?？偟膩?lái)說(shuō)，硅基IGBT的性能約為SiC MOSFET的9成，但前者的價(jià)格卻是后者的四分之一左右。FKZesmc

很顯然，在短期內(nèi)我們不會(huì)看到SiC大量替換IGBT的局面。而下游汽車市場(chǎng)的需求已經(jīng)迫在眉睫，我們預(yù)期，IGBT在未來(lái)5年內(nèi)仍有較大的發(fā)展?jié)摿Α?span style="display:none">FKZesmc

本文為《國(guó)際電子商情》2020年12月刊雜志文章，版權(quán)所有，禁止轉(zhuǎn)載。免費(fèi)雜志訂閱申請(qǐng)點(diǎn)擊 這里FKZesmc