IGBT：汽车背后的“隐形”零部件崛起，国内IGBT前三甲出炉

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IGBT：汽车背后的“隐形”零部件崛起，国内IGBT前三甲出炉

2019年12月09日

要点凝练：

1. 随着应用高压系统的BEV, PHEV车型的销量提升，功率半导体的应用范围和驱动功率到了一个新的层级。

2. 英飞凌、比亚迪把控着新能源汽车电控用IGBT模块市场80%以上的份额。

3. 2019上半年电控用功率器件的市场规模累计为8.5亿。

当一个产业在天时地利下获得突飞猛进的市场突破，它往往会带动背后许多“隐形”供应商的壮大。功率半导体即是其一，作为需求驱动型产品，它随着电动汽车市场的崛起迎来春天。

近年来，中国半导体产业发展迅速，尤其是车用IGBT模块。东风徐来，国内IGBT模块供应商切入供应链，打破外资壁垒。

1、电动汽车是功率半导体的“伯乐”

一辆汽车使用的汽车半导体大致可以分为四类，分别为安全集成电路、MCU微控制器芯片，传感器芯片，功率元器件。

随着汽车电子部件的应用范畴扩充，ECU（核心部件为MCU）数量增多。小到雨刷、车窗、电动座椅，大到底盘、动力总成、驾驶辅助系统，均离不开MCU。一辆汽车需要的芯片中，MCU大概能占去三成。

传感器作为采集智能驾驶所需数据的眼睛和耳朵，是车门控制模块、娱乐通讯系统的触屏控制、制动系统、转向系统、网域控制器、发动机、变速箱以及ADAS系统的核心部件。智能化、自动化加速推进传感器的部署。

功率元器件的伯乐是电动汽车。电动汽车的动力产生和传输过程与汽油发动机有着巨大的差异，它需要交直流电和电压的频繁转换。

以电为驱动力的电动汽车有着高电压、高功率、高温等特性，功率器件必须适应运行环境，帮助电动汽车更高效、更节能地完成能量的传递和输出。因此，目前功率元器件在汽车上的应用从MOSFET转为IGBT。

1.1 IGBT与MOSFET

IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)全称“绝缘栅双极晶体管”，属于电压驱动型功率器件。它本质上是一个开关，由三极管、场效应管、续流二极管构成的复合原件，由电压驱动导通和关断。

从电压结构看，电压在600-1200V的IGBT需求量最大，占市场份额68.2%，主要应用于电动汽车；1200V以上的IGBT应用在高铁、动车、汽车电子及电力设备中。伴随着轨道交通、再生能源等市场在近几年内的高速成长，对更高电压应用的IGBT产品（1200V~6500V）提出了强烈的需求。

IGBT在电动汽车上代替的是场效管MOSFET。MOS管芯片擅长小功率作战，虽然为手机、电脑带来更快的运行速度，但其耐压低，在高电压、大电流应用中损耗大的弱点，使之无法投入到大功率应用中。而IGBT芯片导通压降小、耐压高，能够适应大电流和大电压的工作环境。 对于电动车而言，IGBT直接控制驱动系统直、交流电的转换，决定了车辆的扭矩和最大输出功率等。

图 1：不同材料及类型功率器件输出功率~开关频率

（数据来源：公开资料、NE研究院整理）

1.2 应用功率器件的电动汽车主要部件

任何电动（EV）或插电式混合动力（HEV）车辆的核心都在于高压（200至450V DC）电池及其相关的充电系统。

与传统燃油车和弱混动力车相比，电动汽车少了发动机和启停系统，但多出了电池、电机、电控核心部件以及车载DCDC、电空调驱动、车载充电器（OBC）等电力电子装置。

接入充电器后，电动汽车通过OBC中的功率元器件进行交-直流转换和高低压变换，为电池充电。当车辆运行时，电池将高压电池的直流电转换为驱动三相电机的交流电，为电机提供动力。除此之外，车载空调需要电机的驱动，能量回收需要发电机，这时它们对电压转换电路（DCDC）用量大幅提升。

电动汽车的运行过程中，车载空调、OBC、逆变器、DC/DC、发电机都有赖于功率元器件对电的频繁电压和交直流转换。 它们需要大量的IGBT、MOSFET等功率半导体器件。 因此在它们的需求带动下，功率元器件将出现爆发式增长。

图 2：功率器件在电动汽车中的使用

（图片来自：比亚迪）

2、 IGBT是电动汽车更高效的砝码

2.1 燃油车、MHEV、HEV、PHEV、电动汽车对IGBT的不同需求

燃油车并非不需要功率器件，而是它对功率器件的要求和需求量相比电动汽车存在天壤之别。

燃油车的电压较低，对功率器件的应用集中在MOSFET。 启动机、车灯控制、音响系统、车身控制、引擎控制、防盗、动力传输系统均是MOSFET的应用场景。

随着大多数燃油车将启停、电动车窗、燃油喷射、间歇式雨刷和巡航控制等作为标配应用，它们的普及带动车用功率MOSFET芯片的发展。例如电动车窗开关采用MOS管技术，是为了解决传统型开关继电器触点易烧蚀问题。利用MOS管作为控制电流通断的元件，实现无触点开关，提高可靠性，是目前汽车功率型开关的发展方向。

燃油车上的零部件相对而言电压等级比较低，如40V功率MOSFET可以完全满足EPS (电动助力转向系统)和EPB (电子驻车制动系统) 等汽车安全系统的机械、环境和电气要求。动力总成电压在30-40V，电助力制动器电压60-80V，点火器电压为40-80V， 它们的功率值加起来也不过十几千瓦，只需低导通阻抗的高性能低压MOSFET，来降低车辆的功耗。如装配有启动/停止模块的车辆需要的MOSFET功率为1.5-10kW，平均功率为3.5kW。

48V轻混系统核心部件包括48V电池、48V起动电机/发电机、一套48V/12V（DC/DC）的电压逆变器，以及相应的控制模块。其主电机驱动对功率器件的要求一般为驱动功率在5-20kW，此时高性能MOSFET或IGBT才能满足它的要求。

强混车的主电机驱动电压最高可到500V，由此它要求驱动功率为20-150kW的IGBT，发电机则需要驱动功率为20-40kW的IGBT。

从传统燃油车、48V轻混车到强混车，少了发动机和启停系统，但逐渐多出电池、电机等部件，且电压持续升高。发电机、电驱对功率器件要求类似，只是功率大小不同。

表 1：电动汽车对功率器件的需求

（数据来源：比亚迪、NE研究院整理）

到了纯电动汽车，功率半导体的应用范围和驱动功率到了一个新的层级。

主电机驱动、发电机、DCDC、OBC（充电+逆变）、车载电动空调是插混和纯电动汽车不可或缺的部件。 其中主电机驱动属于动力系统，门槛最高。它对功率器件的需求一般为驱动功率在20-150kW，平均功率大约在70kW。现在可以看到主机厂正在尝试提高整车电压，功率器件必须能够适应更高的电压，实现更大的驱动功率。这时，电机控制器厂家一般会选用导通压降小、耐压高的IGBT芯片，而非用于燃油车或轻混车中的MOSFET。

尤其是纯电动汽车正在加快充电速度，实现快充或超快充。OBC开关频率较高，需要较快的功率器件。它采用驱动功率为10-40kW的IGBT。

传统汽车中，功率半导体主要应用在启动、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。

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%。

2.2 IGBT的低损耗、高电流输出能力、强耐温

随着电动车性能不断地提升，对功率半导体组件提出了更高的要求。 要求主要体现在三个方面： 1、低芯片损耗； 2、电流输出能力； 3、温度循环寿命。

低损耗与整车电耗强相关 。当IGBT芯片损耗更低时，它传递的能量也就更多，流经过芯片损失的电流就相对减少，使电流传递的过程更加高效，降低整车的百公里电耗。

电流输出能力关系到整车的功率输出能力。IGBT此类电压控制元器件根据驱动电压的高低而输出不同的功率。它可以产生大功率信号，进而拓宽元器件工作阈值，使其高效工作区间增大，来驱动电机。当提高电流输出能力后，它可以给予电机在一定电压下更高的功率，改善加速性能。

温度循环寿命代表着IGBT芯片适应不同环境时的可靠性和使用寿命。汽车对功率元器件的外部工作环境，如振动、温度、湿度、粉尘、有害气体以及EMC等有着高要求。这也是为何车规级半导体芯片普遍贵于消费电子芯片的原因。只有经受住各种气候、路况、驾驶习惯的考验，功率器件才满足“车规级”要求，可以被售往温度过高或过低、山路崎岖的地区。

IGBT本身是一个非通即断的开关，导通时可以看作导线，断开时可以看作开路。在电机控制器中，IGBT主要负责将动力电池传输的直流电转化为交流电。电流从上而下垂直穿过IGBT，直至抵达驱动电机。芯片越薄，电流流过的路径就越短，损耗在芯片上的能量也就随之降低。

NE研究院调研了国内自主车规级IGBT的使用情况，规模最大的即是比亚迪微电子自主研发设计的IGBT模块。

在国内半导体厂商中，比亚迪微电子在2018年推出了最新的IGBT4.0芯片。该款新品电流覆盖了从25到200A，标准型开关频率是3K~12KHZ，快速型为10K~30KHZ，可应用于汽车牵引动力驱动、车用空调变频与制热、汽车转向助力系统、工业感应加热电器、电焊机、变频器等。

同等工况下，这款IGBT综合损耗较当前市场主流的IGBT降低了约20%。这意味着电流通过IGBT器件时，受到的损耗降低，使得整车电耗显著降低，续航里程得到明显延长。

为了降低整车电耗，必须有意将Vcesat和开关损耗降到更低。NE研究院调研后发现，比亚迪对此的解决方案是，增加复合场终止层，减薄N-漂移区（漂移区的正向压降与厚度密切相关）。

以比亚迪全新一代唐EV为例，在其他条件不变的情况下，仅此一项技术，就成功将百公里电耗降低约3%。

图 3：比亚迪IGBT4.0芯片

（图片来源：比亚迪）

电流输出能力方面，比亚迪IGBT4.0较当前市场主流的IGBT高15%，支持整车具有更强的加速能力和更大的功率输出能力，百公里加速4.4秒。

温度循环寿命层面，比亚迪电动车完成了从新疆吐鲁番的高温，到北欧的极寒、再到西藏高原的高海拔等全球最严苛自然环境的测试，并在全球300多个市场成功经历了各种气候、路况、驾驶习惯的考验，得到广泛认可。

未来电动汽车的发展趋势即为能耗更低，续航里程更长。这一趋势将拉动IGBT的需求呈现出爆发性的增长。

3、国内新能源汽车用功率器件市场分析

IGBT之于电控相当于电池之于电动汽车。

随着新能源汽车市场的扩大，IGBT作为重要的功率器件，受到了广泛的关注。IGBT芯片与动力电池电芯并称为电动车的 “双芯”，是影响电动车性能的关键技术，其成本占整车成本的5%左右。

电机控制器是新能源汽车产业链的重要环节。 除了电池以外，电控在整车里的成本占到第二位，约为15~20%。 IGBT是电控的核心部件，约占其成本的三分之一。 因此，基本上谁能把持着电控供应商的功率器件订单，就可在电动汽车用功率器件市场中拥有极大的话语权。

图 4：电机控制器成本结构

（数据来源：驱动视界、NE研究院整理）

3.1 2019上半年国内新能源汽车市场功率模块需求量

纯电动汽车一直是国内新能源汽车的驱动力。根据中汽协公布的数据，新能源乘用车在2019年上半年的产销量分别为54.1万辆和54.9万辆，同比增幅分别为55.0%和58.1%。其中纯电动汽车占据的比重达77.3%，是新能源汽车市场的主要结构。

若按照级别统计，BEV市场偏向A00级和A级车，这种细分市场结构决定了其产品的电压等级分级会比较明显。

2019上半年，A级车受到私家车和出租租赁的拉动，表现出较好的增长态势，比重为54.4%。其次为A00级车，在BEV市场中占去的市场份额最大，达到20.3%；A0级车与A00级车接近，份额为19.5%。

A级、A00级、A0级是占去新能源汽车市场份额最大的细分市场，而它们的电压等级和功率范围不在一个层级上。电压和功率决定一款电动汽车应该使用的功率模块的数量。

A00级、A0级轿车以低压、低功率为主，驱动电机的峰值功率在20~60kW之间，电池电压跨度较大，电压分布在100V~200V以及300V~350V之间；而SUV多在300V~350V范围内，驱动电机的峰值功率在80~120kW之间居多。若其电控采用20kW的IGBT模块，那么它仅需要1-3个。若是更高功率的IGBT模块，可能仅需要1个。

图 5：BEV电机功率分布图

（数据来源：NE研究院整理）

图 6：PHEV电机功率分布图

（数据来源：NE研究院整理）

A级以上的电压和功率较高。 其电池电压集中在300V~350V之间，驱动电机峰值功率集中在120~160kW。比亚迪的部分车型电压高压600V，多数集中在350~600V。

考虑到电压高，比亚迪所用的IGBT功率器件电压多在1200V，适用于750V及以下的平台电压。

比亚迪唐EV600采用的是IGBT 4.0功率模块作为电路传输的核心。它的电机功率为180kW，若使用最大功率为200kW的半桥IGBT功率模块，则只需要3个模块。

PHEV市场则以一些本土OEM为主，电压平台除比亚迪之外，基本在300V左右，功率在50~100kW之间。由此，它们的电控部件需要的功率模块数量相对而言少于BEV，为1-2个功率模块。

NE研究院对2019年上半年BEV和PHEV电驱动功率进行了统计。 BEV对功率模块的需求量达到44.9GW。其中A级轿车需求量最大，为23.0GW（51.4%），接着紧凑型SUV（6.6GW，14.8%）、小型SUV（5.7GW，12.7%）和A00级轿车（4.1GW，9.1%）。

PHEV需要11.6GW的功率模块，其中中型SUV基本上占去38.5%的需求量，约4.5GW，紧凑型SUV总需求量为2.3GW，占比19.5%，A级轿车比重在15.7%，为1.8GW。

图 7：2019上半年BEV各细分市场电驱动功率

（数据来源：NE研究院整理）

图 8：2019上半年PHEV各细分市场电驱动功率

（数据来源：NE研究院整理）

3.2 国内电控用功率模块供应商

补贴政策刺激国内自主品牌在新能源汽车领域加大投放力度，进而提高新能源汽车市场的规模。根据工信部的产量数据，从2014年至2017年，国内新能源汽车产量从6.3万辆上涨至55.1万辆，到2018年数值攀升至99.3万辆。2019年上半年产量上涨69.7%至55.3万辆。中国连续四年位居全球新能源汽车产销第一大国。

图 9：2014年至2019上半年的新能源汽车产量

（数据来源：NE研究院整理）

2019年上半年，比亚迪以14.1万辆成为国内新能源车企销量冠军。它基本上占去国内25.7%的市场份额。同一时期，它共产出了13.6万辆新能源汽车。

比亚迪在新能源汽车市场中的份额成为其IGBT功率器件的后盾。它本已是国内新能源汽车产销大户，且自产三电。这就决定了，它对新能源汽车及其配套系统有着深入理解。而且，比亚迪新能源汽车与微电子相辅相成，在国内数一数二的整车销量，直接将其IGBT的市场份额引上高位。

以电动汽车第二大核心部件——电控为例， 2019年上半年，比亚迪电控的装机量占去国内电控市场份额的25.9%，其次为联合电子的17.9%、麦格米特的9.0%。 前三强电控供应商共持有国内52.8%的比重，划去半壁江山。

图 10：2019上半年电控生产企业TOP10

（数据来源： NE研究院整理）

比亚迪电控、IGBT模块等零部件背靠集团新能源汽车的发展，成为市场中亮眼的存在。比亚迪已经成为国内新能源汽车市场中装机量最多的电控供应商。到电控的核心——IGBT部分，比亚迪也成为国内新能源汽车电控用功率模块装机量数一数二的供应商。

比亚迪IGBT除比亚迪汽车自用以外，外部市场推广也取得很大成效，市场份额逐步攀升。 按最新数据估算，其在中国车规市场的份额已高达22.1%。

从单晶、外延、芯片到封装，比亚迪微电子掌控着IGBT模块诞生的每个环节。紧接着，它与第十四事业部紧密合作，将研制的IGBT模块应用于旗下三合一电驱动系统。

从F3DM采用的IGBT 1.0芯片，大规模配置于e6、K9等新能源车型上的IGBT 2.5芯片的模块，到去年推出的IGBT 4.0芯片，它的IGBT芯片已经研发了十年，用在了50万辆车上。

联合电子、麦格米特是排名第二和第三的电控供应商，市场份额分别为17.9%和9.0%。联合电子电控配套车型包括帝豪 EV、几何A、荣威Ei5、欧拉iQ，麦格米特电控的主要客户为北汽新能源旗下产品，如北汽EU5。无论是联合电子还是麦格米特，它们基本上外购的是英飞凌的功率模块。

上海电驱动、奇瑞新能源、道一动力、蔚然动力、大地和，这些电控装机量TOP10供应商绝大部分采用英飞凌的IGBT模块。NE研究院调研后发现， 英飞凌IGBT模块用于国内新能源汽车电控中的装机量比重为58.7%。

除此之外，不乏其他IGBT模块供应商积极开拓客户。道一动力除了采用英飞凌的IGBT模块，同样也采购了斯达旗下功率半导体模块。

另外， 一些电控供应商从成本角度出发，开始自制IGBT模块。中车时代与比亚迪相似，是国内电控用IGBT模块领域少有从芯片、模块到应用的供应商，但其产品主要应用于轨道交通领域。

日系电控供应商普遍采用本土IGBT模块，例如电装自产IGBT模块，日立电控用功率模块来自于富士电机，日本电产使用的是三菱的IGBT模块。

另外，除了IGBT模块外，部分电控采用IGBT单管方案或者MOS管方案。

图 11：2019上半年新能源汽车电控用IGBT模块供应商TOP10

（数据来源：NE研究院调研整理）

3.3 国内电控用功率模块市场预测

中国乘用车市场在经历了2018、2019连续两年的下降后，随着乘用车报废量的持续上涨，市场新增需求扩大，2020年后乘用车总量将重新开始增长趋势。而另一方面，新能源乘用车市场在政策的强力驱动下，虽然17~18年呈现了爆发式的快速增长，从2019年开始，随着补贴的快速下降，政策对产量的拉动影响趋于减弱，而产量增长逐步趋于市场需求+政策影响双因素驱动。

NE研究院认为，2021~2022年左右，国内大部分企业将开始实现真正意义上的L3级别自动驾驶，汽车在电动化基础之上，自动化和智能网联化程度将大大提升，消费者对于新能源汽车的接受程度将有大幅提升，市场需求的增加将促进EV转化率增长速度进一步提升。

NE研究院预测，2019年新能源汽车市场的总产量将达到104.9万辆，较之2018年的99.3万辆同比增长5.7%。到2020年，新能源汽车市场的产量增幅将增大至155.6万辆，同比增长48.3%。

当前， 100kW电控用IGBT模块的成本约为1500元。 2019上半年电控用功率器件的市场规模累计为8.5亿元。

图 12：新能源市场未来5年产量趋势预测

（数据来源：NE研究院整理）

2019上半年新能源汽车市场每辆车电驱动系统平均功率为100kW。若以此为基础，今年BEV和PHEV销量增长带动电控用功率器件的市场，基本接近15.7亿元的规模。由于政策变动，今年新能源汽车市场增长趋势更加温和，电控用功率器件市场变化不大，但未来整个市场仍然是滚滚向前。

就国内新能源汽车市场而言，NE研究院预测，未来5年，NEV仍会保持增长趋势。国内新能源汽车市场总计到2025年将达到494.3万辆。仅在电控用功率器件就有着74亿元的潜力。

到电驱动层面，为了更高的性能，一辆电动汽车将在前后轴各分布一台电机，每套电机控制器将配备两个IGBT模块。结合这两大趋势，国内的功率半导体供应商迎来飞跃的良机。

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文章来源自：NE研究院

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