功率半导体对汽车到底有多重要？
最近，瑞萨将以60亿美元收购IDT炒得沸沸扬扬。作为全球排名第二的汽车半导体厂商，瑞萨这一大手笔并购被看作是其进一步强化自动驾驶技术的大动作，收购IDT可以让瑞萨获得自动驾驶所需的芯片资源。
不久前的7月底，高通并购全球排名第一的汽车半导体厂商NXP宣告失败，从而终结了这一持续近两年的并购案，显然，并购失败令高通非常无奈且沮丧，因为这使其称霸未来汽车半导体市场的宏图失去了最雄厚的资源支持。
此外，最近两年，作为汽车功率半导体的优质供应商，安世半导体成为了中国各方资本争夺的目标，之所以这么抢手，也是由于都看到了其在汽车半导体，特别是功率半导体方面的巨大潜力，都想分一杯羹。
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%。
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。
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%。
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。
市场格局
Infineon预估，随着全球汽车产量增长，同时汽车电动化、智能化、舒适化趋势带来汽车中单机功率半导体价值量提升，共同驱动汽车对功率半导体的需求，未来3~5年增速约为8%。
ON Semi报告显示，2016年全球汽车功率半导体市场规模约为55亿美元，预计2020年汽车功率半导体市场规模有望达70亿美元。
在新能源汽车用功率半导体领域，欧美日厂商三足鼎立。欧洲厂商主要包括英飞凌、意法半导体、博世、恩智浦等；美国厂商主要包括德州仪器、安森美半导体、威世半导体等；日本厂商则主要包括东芝、三菱电机、瑞萨、罗姆半导体等。
图：全球汽车功率半导体厂商排名，资料来源：strategy analytics
而从汽车用功率半导体厂商排名来看，来自strategy analytics的数据显示，英飞凌以25.6%的市占率排第一，意法半导体13.4%排第二，博世9.2%排第三，恩智浦8.8%排第四，紧随其后的是德州仪器，市占率为8.2%。
供需趋于紧张
半导体元器件在汽车中的用量成倍增长，而功率半导体对硅片的消耗量巨大，一般情况下，一片8英寸硅片仅能切割70~80颗IGBT芯片。目前，电动车尚处于渗透率较低的产业化初期，汽车半导体用量需求的成长空间很大，这些将带动硅片产业进入长期、持续的供需紧张状态。
例如在纯电动车方面，一辆tesla model x汽车需要使用84颗IGBT，这样算来，基本上一辆车就要消耗掉一片硅片。混合动力汽车的功率半导体用量相对较少，以宝马i3为例，单辆汽车的功率半导体硅片消耗量约为1/4片。
预计到2022年，全球电动车销量有望突破1000万辆，以平均每辆车消耗1/2片硅片计算，对应功率半导体硅片消耗量将达到500万片左右。
今年，进入二季度以来，功率器件延续供需紧张局面。来自IC分销商富昌电子的市场报告数据显示，MOSFET、TVS、肖特基二极管等功率器件产品的交期普遍延长，行业呈现出明显的供不应求态势，这其中，来自汽车用的功率器件是重要组成部分。
与此同时，英飞凌等国际大厂均优先将产能分配给了毛利率较高的新产品，如汽车和工业用器件，退出了中低压MOSFET，这就导致MOSFET供需缺口扩大。英飞凌、意法半导体等大厂下半年的MOSFET产能被预订一空，ODM/OEM及系统厂只能大举转单中国台湾MOSFET厂，包括富鼎、大中、尼克森、杰力第三季接单全满，涨价5%～10％后的产能已全数卖光，已开始接10月之后订单。
IDM大厂将MOSFET产能转移至高毛利的汽车及工业用领域，同时提高IGBT及整合电源模组（IPM）产能，导致MOSFET出现缺货压力。在这种情况下，IDM 厂也顺势调涨了MOSFET第三季价格，涨幅在5%～10％之间，第四季很可能继续涨价。
一般情况下，MOSFET、整流管和晶闸管的交货周期在8~12周左右，但现在部分MOSFET、整流管和晶闸管交期已延长到20~40周，而低压MOSFET交期接近或超过40周，其中，汽车功率器件的货期问题尤为显著，IGBT的交期最高已经达到52周。
中国市场
中国是新能源汽车最重要的市场之一， 中国新能源车销售量占全球销量一半以上。
在这样的市场背景下，国际半导体大厂纷纷与国内汽车主机厂建立战略合作关系，例如，在2018年3月，上汽集团与英飞凌成立合资企业——上汽英飞凌半导体公司，上汽集团持股 51%，英飞凌持股49%，计划于今年下半年开始批量生产。
据悉，上汽英飞凌半导体聚焦IGBT模块封装业务，旨在服务上汽集团及其他国内新能源汽车厂商，项目一期投资16亿元，预计未来2~3年实现100万套的年产能。
另外，不久前，闻泰科技已取得安世半导体控股权，安世半导体源于NXP的标准产品业务，在汽车功率半导体器件领域有着深厚的积累，其有两座晶圆厂（6英寸、8英寸）及三座封测厂，2017年销售额超过13亿美元，该公司超过50%的产品应用在汽车领域，按照规划，安世半导体未来有望在中国大陆扩产，这可以说是给我国本土汽车功率半导体产业的发展打了一针强心剂。
对比汽车半导体的竞争格局和国外厂商的发展史，中国国内厂商主要有两种发展路径：一是在传统芯片领域通过收购获得技术和客户资源；二是在新能源汽车功率半导体和智能汽车芯片上发力。
在传统汽车电子半导体市场，国外厂商凭借技术优势和稳定的配套关系掌握着主动权，国内厂商难以取得突破，对外收购成为了国内厂商涉入汽车电子半导体领域的捷径，除了安世半导体，四维图新、旷达科技等厂商，通过收购快速进入了汽车半导体领域。
电动化为汽车半导体市场带来新增需求的同时，也为国内汽车半导体厂商提供了不少机遇。目前，国内厂商已经开始在新能源汽车功率半导体和智能汽车芯片上布局，功率半导体方面的代表厂商包括比亚迪、中国中车、士兰微电子等，而智能汽车芯片方面的代表企业有寒武纪和地平线等。
总体来看，中国本土的汽车功率半导体厂商还比较弱，市占率比较低，如果不通过并购获得国外优质资源的话，短时间内难以与国际大厂形成真正的竞争关系，还需要不断成长，道阻且长。
结语
汽车市场发展方兴未艾，汽车的各大系统组成对半导体元器件的种类和数量需求都很旺盛，这其中，功率半导体表现将尤为突出，必将是国内外厂商争夺的焦点，好戏在后头。
文/ 半导体行业观察 张健
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