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智芯特刊 | 新能源汽车规模增长,功率半导体位居关键环节

新能源汽车规模增长品质提升,功率半导体如箭在弦我国新能源汽车销量增速暂时趋缓,但销量结构向好;长期销量相对高增速和节能降耗趋势不变,功率半导体深度受益。我们估计,至2025年,我国相应市场规模在100亿元以上。其中硅基IGBT逾70亿元,碳化硅基MOSFET近40亿元;产业自主可控程度有望逐步增强。


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一、以电驱之长补电池之短,功率半导体位居关键环节

1、使用便捷性是汽车竞争力的根本

根据国标《汽车和挂车类型的术语和定义》(GB/T3730.1—2001),汽车是由动力驱动,具有4个或4个以上车轮的非轨道承载的车辆。基于便捷、舒适的交通需求,用户(及社会)对汽车的关注点涉及多方面易量化和不易量化的内容。

使用便捷性是绝大多数情况下用户对汽车的接受底线和核心需求,可简明体现为汽车在某工况/工况组合下运行的行驶时间和充能时间,及对应的行驶路程。

行驶路程越长(对应续航能力)/行驶速度越快(对应动力性能),单次充能时间越短/充能时间占总时间的比例越小(对应充能能力),可认为整车的使用便捷性越高;在充能不便的条件下,单次充能的行驶路程越长,整车的使用便捷性越高。

2、能流高效,功率半导体是电控核心

汽车的续航能力、动力性能和充能时间的决定性因素是其储能(及配套动力)系统的本质理化属性。这已为长逾百年的汽车进化史所证实。

燃油汽车储能及配套动力系统主要为油箱、发动机。新能源汽车储能及动力系统(并含带有高压电的部件,耐压程度有650V、900V、1200V等不同等级)包括动力电池,驱动电机,高压配电箱(PDU),电动压缩机,DC/DC,OBC,PTC,高压线束等,这些部件组成了整车的高压系统,其中动力电池,驱动电机,控制系统为纯电动汽车上的三大核心部件。

动力电池相比于油箱,在锂电替代铅酸、三元替代铁锂、三元高镍化多重技术趋势逐级推动之下,其有效储能仍居于劣势;而长续航车型的工况续航大体可以和燃油车型相比,其主要原因是电机电控相比于燃油发动机的效率优势。

当前,汽油发动机的最高热效率已经突破40%。如丰田DynamicForceEngine2.0L发动机,通过阿特金森循环、高压缩比和双喷射等技术手段达到了最佳工况下的高燃效。

电动机和发动机相比,具有效率高(高效区间效率在95%以上,且相对高效区间覆盖范围远大于燃油发动机,意味着电能-机械能转化更有效)、高效区间大(意味着绝大多数工况下电能-机械能)转化效率高等优点,并可实现制动能量回收以进一步降低实际油耗。

另外,电动机起步扭矩高,最大功率高,NVH出色。依托三电系统的新能源汽车驾驶体验相比依托传统动力系统的燃油汽车具有相当优势。

整车层面,纯电动车型动力电池包相比于燃油车型发动机重300-500kg,而电机电控比燃油车型所需的内燃机、变速器、尾气处理、水箱、风扇等轻约200kg。故燃油、纯电动汽车动力系统的重量、体积等参数基本可比,电机电控的高效性能也是关键因素。

动力电池包内部由多个电池单体(锂离子电池典型电压3.7V)串并联对外输出直流电,电机所需则为交流电,需要开关、逆变、变频、变压等功能,且应满足宽适用温域、宽海拔范围、长寿命、高功率密度、小体积、高能效低损耗等应用条件,并尽可能控制成本。上述功能的实现主要依靠电控的核心组元功率半导体。充电器、空调等也需要功率半导体电力电子装置。

二、电车需求结合材料本质,硅IGBT/碳化硅MOSFET脱颖而出

1、半导体,基材提供能隙掺杂控制电导

半导体材料的电阻率覆盖范围很宽,在10-4到109Ω·cm之间,且电阻率随温度的升高而降低。半导体的物理特性由本征能带和杂质能级模型解释:半导体基体材料(基材)是固体,在足够低的温度下,其导带(对应自由电子的能量范围)全空,价带(对应价电子的能量范围)全满,导带底Ec和价带顶EV二者之间的界限为禁带且对应禁带宽度(能隙)Eg。禁带的产生是因为半导体原子的所有价带电子在足够低的温度下要求有完整的共价键。温度稍高时,半导体内部产生本征载流子,禁带宽度也会稍有变化。

对于半导体器件而言,其关键性质是在一定温度区间内,电导率可以通过掺杂手段加以控制。对于电中性的IV主族、III-V主族半导体等而言,进行V主族元素掺杂,会增加电子作为多数载流子,形成施主能级,并获得N型半导体;进行III主族元素掺杂,会增加空穴作为多数载流子,形成受主能级,并获得P型半导体。

2、硅是主流基材,三代半导体碳化硅性能出色

半导体功能的实现受到基体材料理化性质的限制。

首先,基体材料需要有一个较宽的能隙,以确保在没有掺杂的情况下,本征载流子浓度低于最轻掺杂区掺杂浓度的温度上限较高,且临界击穿场强较高;能隙也不应过宽,致使自建电势和门槛电压过高。

其次,基体材料在禁带中的能级应尽可能少,使得阻断电压高、漏电流低。

再次,基体材料需要有足够高的自由载流子迁移率(电子迁移率高于空穴,故以电子迁移率为准),使得相应功率半导体器件的最大允许电流密度较高。

而且,基体材料需要有足够高的载流子饱和漂移速度(同样以电子迁移率为准),使得相应功率半导体器件的最大允许频率较高。

最后,稳定的化学性质、较高的热导率等对高性能器件的实际应用也具有重要作用。

典型半导体材料包括以锗为代表的第一代半导体材料,以硅为代表的第二代半导体材料,和以碳化硅、氮化镓为代表的第三代半导体材料(均为单晶材料)。

其中,锗因为能隙太小,允许的工作温度上限仅为70℃,不是主流的功率器件材料;硅综合性能均衡、单晶生产成本低、易制备二氧化硅绝缘层,是最广泛应用的半导体、功率器件材料;碳化硅(晶体结构多样,其中4H晶型综合性能最优越)禁带宽,击穿场强大,虽然电子迁移率稍低但可进行更重的掺杂,也可制备二氧化硅绝缘层,且热导率高便于散热,故耐高压大电流、有更低的导通和开关损耗,性能优越,成本高;氮化镓高频特性好,但以碳化硅为衬底外延是主要生产方法,成本更高,且热导是短板。综合各种因素,硅和碳化硅最适于作为新能源汽车功率半导体的基础材料。

3、硅基IGBT、碳化硅基MOSFET承担新能源汽车功率半导体重任

常用的功率半导体器件包括功率二极管(PowerDiode,含pin二极管/肖特基二极管)、双极型晶体管(BJT)、晶闸管(SCR)、门极可关断晶闸管(GTO)、金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)等。不同类型功率半导体器件的对电信号可控程度、驱动信号、有效信号波形、载流子参与导电情况可能不同。

对使用同样基材的半导体器件而言,其能达到的开关功率和开关频率的乘积近似为常数。对硅而言,该常数约为109VA/s:

上述经验公式指导下,不同器件的工作电流、工作电压和开关频率范围有所不同。

MOSFET的开关速度快、开关损耗低、工作频率高、所需驱动功率小、驱动电路简单,不存在二次击穿问题。但硅基MOSFET在高压应用时,导通电阻随耐压的2.5次方急剧上升,故额定电流和额定电压较小,只适用于不超过10kW的电力电子装置(对应于汽车应用领域的12V或48V系统),而对大功率的纯电驱动不适用。

所以,对于仍然采用硅基材的纯电动车型电控用功率半导体,有必要以较低的开关速度、较高的驱动功率与开关损耗、较复杂的驱动电路和二次击穿危险为代价,将栅极(即图中门极)通过一层氧化膜(p+层)与发射极实现电隔离,应用相当于MOS和BJT组合的,耐压能力、电流密度及最大功率更高,高压条件下导通电阻更低的IGBT器件。

IGBT的导通和关断由栅-射极(即上图中源极)电压UGE控制。其工作原理是栅极电压UGE为正向电压且大于开启电压时,IGBT中的MOSFET部分形成沟道,提供基极电流,器件导通,IC和UGE大部分保持线性;而在栅极加零或负电压时,沟道消失,基极电流为0,IGBT关断。IGBT导通电阻的降低是因为PNPN四层结构带来的PN结电导调制效应。静态电气特性方面最高栅-射极电压受最大集电极电流限制,饱和区类似MOS结构特性有源区类似于晶体管特性,所以IGBT主要工作在饱和区(开)和正向阻断区(关);而动态电气特性方面,器件导通需要经历栅极正向电压-基极电流产生-集电极电流产生的过程,故有两次延迟;器件关断时因为没有反向基极电流抽取过量载流子,故只能通过集电极传导,形成拖尾电流。综上,IGBT可以满足逆变的基本需求,但开关速度、开关损耗等存在一定劣势。当前硅基IGBT系统的综合效率(以逆变器效率计)约92%,相比于其峰值效率仍有一定差距。

对于试图利用MOSFET器件诸多优势的纯电动车型电控用功率半导体,则需改变基础材料,以相对昂贵的碳化硅为基材,控制承压层深度和掺杂浓度等技术参数,最终获得更高的工作电压及最大功率以及综合效率。当前碳化硅基MOSFET系统的综合效率(以逆变器效率计)约98%。可以说在应用层面碳化硅基MOSFET相比于硅基IGBT具有本质优势。

综上所述,硅基IGBT和碳化硅基MOSFET是多因素限制下新能源汽车功率半导体的适宜选择;后者性能更强,但成本也更高;整车动力电池包越大、电机最大功率/峰值扭矩越高,碳化硅基MOSFET的作用就越显著。

三、硅基IGBT,新能源汽车功率半导体规模统治者

1、技术几经迭代,生产工艺复杂稳定

IGBT(硅基,下同)发明于上世纪80年代的美国,后引入日本、欧洲市场。自发明以来,其技术经过了数次迭代,芯片面积降低,饱和压降降低,最大工作频率提升,损耗降低。

IGBT芯片的生产属于典型的半导体工艺,需要晶体生长、掺杂、氧化和掩蔽、边缘终端处理、钝化等基本过程。

高纯单晶硅衬底采取区熔法生长后切得。

后续掺杂多使用离子注入方式;工艺次序为先正面再背面。除全程高洁净度要求外,衬底背面工艺中的减薄极易使硅片破碎、翘曲,加工工艺非常重要。

IGBT芯片经多芯片并联、衬板加装、基板加装、外壳加装、硅胶固化密封等封装工艺后,形成IGBT模块。鉴于车用IGBT的散热效率要求比工业级要高得多,同时要考虑强振动条件,因此封装要求远高于工业级别。定制化模块封装、双面冷却集成等手段是进一步提升IGBT模块综合性能的可行方向。

2、国际巨头规模领先,自主企业日夜兼程

IGBT市场是半导体市场、功率半导体市场的重要组成部分。2018年,全球半导体市场规模达4688亿美元,其中功率半导体市场717亿美元,2018年IGBT市场约58亿美元,其中汽车用IGBT占比约为1/4。

根据市场研究机构StrategyAnalytics的数据,纯电动汽车的半导体成本约达704美元,相对于传统汽车的350美元增加了1倍,功率器件成本为387美元,占比达到55%。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,占总增加成本的76%。特斯拉modelX双电机版使用了132个IGBT器件,总价值约650美元。我们估计,根据整车电机数量、电机动力性的不同,新能源汽车硅基IGBT单车价值量在近1000元到约5000元不等,占电控成本约一半。

全球IGBT市场的主要供应商包括德国英飞凌,日本三菱、富士,美国安森美,瑞士ABB等,CR5约70%。主要IGBT供应商多采取IDM(国际整合元件制造商)模式,经营范围涵盖了IC设计、IC制造、封装测试等各个环节;也多和上游晶圆厂之间建立了紧密的联系,上游12寸电子级晶圆供应形势好。

我国IGBT对外依赖严重。根据智研咨询统计,2018年我国IGBT芯片需求量为7989万个,而产量仅为1115万个。

国内IGBT企业主要有华虹宏力、中芯国际、中科君芯、士兰微、华润微电子、上海先进、株洲中车时代电气、比亚迪等。总体而言国内企业仍处在构建产业链、提高良率、追赶国际先进技术水平的过程中,但也已有重大技术及市场应用成果。

比亚迪是中国唯一一家拥有IGBT完整产业链的车企:包含IGBT芯片设计和制造、模组设计和制造、大功率器件测试应用平台、电源及电控等。其车规级IGBT4.0产品已并批量化用于其“王朝”车型。2019年底产能预计将达5万片/月,可以满足其全部新能源车型每年的需求且有富余产能。

和国际IGBT供应商建立合资公司也是保证产品供应的重要手段。如上汽集团和英飞凌成立上汽英飞凌汽车功率半导体(上海)有限公司,上汽集团持股51%。现已实现10万套IGBT模块下线。

我们估计,自主硅基IGBT在我国新能源汽车市场中的份额有望逐步提升;类似于合资生产动力电池,合资生产硅基IGBT也将是未来产业整合的重要趋势之一。

四、碳化硅基MOSFET,新能源汽车功率半导体性能翘楚

1、基体材料困难度大,器件生产工艺复杂

碳化硅半导体产业链包含制取晶锭、切割镜片、外延生长、获取芯片、制造分立器件/模块等过程。

单晶硅仅有一种晶体结构,而碳化硅已知的同素异形体数量逾200种。相对典型的碳化硅晶型是3C、4H、6H等。

和单晶硅不同,碳化硅无法形成稳定的本征熔体(而会直接升华),故不可采用和单晶硅类似的本征材料提拉/区熔等方式制备;高温熔体混合物可能制备碳化硅单晶,但杂质不易控制。

目前生长碳化硅单晶最成熟的方法是物理气相输运(PVT)法,其生长机理是:在超过2000℃高温下将碳粉和硅粉升华分解成为Si原子、Si2C分子和SiC2等气相组分;在温度梯度的驱动下,这些气相物质被输运到温度较低的碳化硅籽晶上形成较厚的晶锭(上述过程俗称拉单晶,但并非以提拉法制取材料)。

相比于提拉/区熔,PVT法的物相控制难度更高,固/气组分更多,温度分布均匀性更差,所以高质量碳化硅晶锭的获得面临多种生长缺陷的威胁:多型,碳化硅多种晶型的吉布斯生成自由能相近,故易造成多型共生;微管,温度梯度、杂质粒子、籽晶和背底缺陷等易引发贯穿晶锭/部分晶锭的管道;工艺控制不当容易形成位错;原料中的杂质粒子可能嵌入晶锭;真空室中残留的氮气为晶锭的电阻率控制带来不确定性,可能需按要求加以掺杂调控补偿;如晶锭形状偏离圆柱状较多,则后续工艺的损耗也较多。总之,在基体单晶材料制备方面,碳化硅面临的问题远多于硅。加之晶锭直径较硅更小,8英寸技术尚未成熟,碳化硅的成本高于硅。

碳化硅晶锭到晶片制造需要经过滚圆、切片、研磨、抛光等多个工艺步骤。高质量的晶片也是后续芯片高良率的基础。

碳化硅基MOSFET芯片的制造需要在导电4H-碳化硅衬底上外延生长n型漂移层,以高剂量离子注入形成高掺杂n+源区、P阱、MOS沟道、欧姆接触区和保护层等。

碳化硅基MOSFET芯片经封装工艺形成相应功率器件/模块。以特斯拉Model3搭载的意法半导体碳化硅基MOSFET器件为例:芯片焙银连接至氮化硅基板;芯片门极采用标准铝线键合技术进行电气互联;采用铅焊料回流焊工艺连接引线框架;塑封电镀等完成最终封装。

2、产业成长期规模待爆发,Model3树立应用标杆

如前所述,碳化硅功率半导体产业尚处于成长期,单晶衬底(当前国际成熟技术水平是4英寸、6英寸商用,8英寸初步商用;国内是4英寸商用,6英寸初步商用)是主要限制因素。据中国宽禁带功率半导体及应用产业联盟统计,2017年,全球导通型4英寸碳化硅衬底销量约10万片,6英寸约1.5万片;2020年4英寸市场空间预计仍为10万片,但6英寸会增长至8万片;此后6英寸总量、份额都将逐步提升(未考虑8英寸技术进展)。

根据Yole报告估计,2018年全球EV/HEV用碳化硅基功率器件市场规模约1.7亿美元。从特斯拉Model3车型2018年销量反推,碳化硅基MOSFET单车价值量约1300美元。考虑到能效提升对同等工况续航条件下动力电池用量的节约作用,我们估计使用碳化硅基MOSFET比硅基IGBT实际的总成本提升在100-150美元。对于定位在10万元级别以及以下的车型而言,使用碳化硅基MOSFET仍有一定成本压力,对于定位在30万元乃至更高的车型而言,鉴于消费者对工况续航、整车动力性的要求较高,所以动力电池搭载量较大,电机最大功率/峰值扭矩较高,碳化硅基MOSFET对整车极限性能的提升有相当程度的帮助。

国际碳化硅功率半导体相关厂商主要包括单晶衬底企业Cree、DowCorning、SiCrystal、II-VI、罗姆、新日铁住金、Norstel等;外延片企业DowCorning、II-VI、Norstel、Cree、罗姆、三菱、英飞凌等;器件/模块企业Cree、英飞凌、罗姆、意法半导体、安森美、电装、富士、三菱等。总体而言,Cree是全球碳化硅相关技术的龙头企业。

国内碳化硅功率半导体相关厂商主要包括单晶衬底企业山东天岳、天科合达、同光晶体、中电科等;外延片企业天域半导体、瀚天天成等;器件/模块企业中车时代电气、世纪金光、泰科天润、扬杰电子;设备企业北方华创、沈科仪等。

碳化硅在新能源汽车方面的应用引发业界关注并有实质性动作。如Cree积极扩大其SiC衬底产能并将业务重心从LED向功率器件转移,成为大众FAST(未来汽车供应链)项目合作伙伴,和安森美签署多年期协议为其供应6英寸衬底及外延片,扩大和意法半导体的长期订单;意法半导体收购Norstel部分股权;丰田和电装、富士、三菱合作开发碳化硅MOSFET;博世拟用其位于罗伊特林根的半导体制造厂生产碳化硅晶片;华为战略投资山东天岳获10%股权,北方华创向天岳批量供应6英寸单晶炉,产品缺陷控制情况较好;比亚迪也在进行碳化硅基功率半导体相关技术研发。

我们认为,碳化硅基MOSFET在新能源汽车上的应用格局还远未确定。自主和国际先进水平虽有差距,但突围提供部分国产渗透率仍有相当可能。

截至目前,特斯拉Model3是碳化硅基MOSFET在新能源汽车上面应用的成功案例。Model3的电控共搭载了24个650V、100A碳化硅基MOSFET功率模块,每个模块为2芯片并联。

特斯拉在设计电控过程中,充分考虑了回路电感对开关速度、开关损耗、电气可靠性和功率密度的影响。以碳化硅基MOSFET为核心的高效电控是整车低电耗的有力保障之一。

五、新能源汽车规模增长品质提升,功率半导体如箭在弦

1、销量回调结构优化,产业发展无需悲观

补贴政策是我国新能源汽车产业发展的关键直接推动力。2019年,我国新能源汽车补贴全面大幅退坡。

以总量、增量地位均最重要的乘用车为例,2019年补贴标准对纯电动乘用车的工况续航里程门槛直接提升至250km。250km-400km档位车型补贴降至1.8万元,400km以上车型补贴降至2.5万元,度电补贴上限550元,国补退坡幅度在47%到60%之间;营运车型补贴7折;过渡期至6月25日,过渡期后取消地补。

2019年补贴调整系数方面,电池系统能量密度最高档位维持160Wh/kg,但最高系数为1倍;百公里电耗优于国家限值35%可获1.1倍补贴。调整系数也全面加严。

从补贴政策开始到2019年的最新调整方案公布,整车续航里程、电池系统能量密度、百公里电耗等技术指标增长/加严明显,“门槛”逐渐提升。

综合考虑,2019年1月-3月,乘用车的补贴标准为2018年标准;4-6月底,单车补贴约退至2018年的2/3;6月底以后,单车补贴约退至2018年的1/3。

2019年1-10月,我国新能源汽车产销分别为98.3万辆和94.7万辆。和补贴退坡节奏一致,新能源汽车市场2019年下半年以来遇冷。经销商开始加库存,销量同比增速为负,环比未见明显增长。

作为新能源汽车的主体部分,2019年1-10月,我国新能源乘用车产销分别为89.1万辆和85.8万辆。其中纯电车型分别为70.8万辆和66.6万辆;插混车型分别为18.3万辆和19.2万辆。下半年以来,销量增速连续4个月同比为负。

市场销量暂时遇冷,但纯电乘用车车型结构向好趋势不变。2019年以来纯电动A级车销量占比在纯电动内部持续高于50%,销量占比远高于2018年全年的约1/3和下半年的约37%。

2019年以来,累计销量超过15000辆的新能源汽车包括北汽EU系列、EC系列,比亚迪元EV、E5,上汽荣威Ei5、宝骏E100,广汽AionS,吉利帝豪系列,长安逸动系列,江淮iEV系列,长城欧拉R1,奇瑞EQ系列等。车型结构显著向好;当前我国质量较高的新能源汽车产品数量明显增加,和特斯拉Model3相比也有亮点。

2019年1-9月,全球范围内销量超过2万辆的纯电动乘用车中,车型亮点突出,以品质或性价比,而非单纯廉价取胜的车型也占据绝大多数。

可以认为,补贴退坡、有效需求增速降低是行业暂时面临的“数量困境”;但产品供给持续优化、中端车型需求坚挺则是行业长期发展前景可以保持乐观态度的强理由。

我们估计,2019年我国新能源汽车销量或达125-130万辆,其中纯电动乘用车或达95-100万辆;2020年,从全国新能源汽车保有量500万辆目标回算,考虑部分报废因素,新能源汽车销量或达150万辆,其中乘用车或达130-140万辆,纯电动乘用车或达110-120万辆;新能源汽车中,特斯拉Model3、合资车企的纯电动乘用车、合资车企的插混乘用车或各有10万辆销量;自主品牌产品仍是市场的主要组成部分,自主品牌乘用车销量或达100万辆。

2、双积分助力规模增长电耗降低,功率半导体长期受益

补贴退坡后,我国新能源汽车长期扶持的方法是“双积分”政策,以新能源汽车取得新能源积分(NEV积分),需满足最低标准,可弥补燃油负分(CAFC积分),可摊薄油耗。现行“双积分”政策实行至2020年底,2021-2023年“双积分”政策(《乘用车企业平均燃料消耗量与新能源汽车积分并行管理办法》修正案)已开始征求意见。

“双积分”修正案对CAFC积分进行了相当幅度的调整。关键点涉及汽车定义变更,工况调整与油耗目标、达标值更新,小规模、“快速进步”核算优惠等。

“双积分”修正案对NEV积分也进行了相当幅度的调整。关键点涉及单车积分计算方式、企业积分比例要求、新能源积分方面的“油电联动”、新能源汽车积分结转等。

单车积分计算方式方面,纯电动整车积分由在CLTC工况下的续航里程决定基准值,上限相比2019-2020年计算方式降低约1/3;整车电耗不达标可获0.5倍调整,达标后随电耗降低调整系数增加,上限1.5倍。插混乘用车积分基准值上限相比2019-2020年计算方式降低约1/5,但油耗、电耗一项不达标调整系数即修改为0.5倍。总体而言,纯电动、插电混动乘用车的积分授予更加严格;得分易,满分难。另外,燃料电池乘用车的积分上限有20%提升。

企业积分比例方面,在2020年的12%基础上,2021-2023年积分比例分别调整为14%、16%、18%,结合单车积分的降低,对新能源乘用车的保有量有了更强的扶持作用。

“油电联动”方面,对综合工况燃料消耗量低于政策要求的燃油乘用车在核算积分时按数量0.5倍计算(征求意见稿第二版修订)。亦即低油耗乘用车背负的新能源“配额”大幅降低。

新能源积分结转方面,2020年后新能源积分跨年度结转比例为50%。

“双积分”修正案体现了国家对传统燃油乘用车和各类新能源汽车的共同指引:节能。燃油乘用车油耗低,则CAFC负积分低甚至为零,并有减少新能源汽车生产比例的优势;纯电动乘用车电耗低,则积分调整系数增加,单车积分总额增加;插电混动乘用车油耗、电耗双低,则积分可获取值也较高。

“双积分”修正案如和最终版本一致,则保证了新能源汽车的基本数量增幅。我们估计,在“双积分”修正案的要求下2023年我国新能源乘用车产量约300万辆,其中纯电动乘用车200余万辆;当年新能源乘用车销量相比于2019年估计约提升1倍以上;由“双积分”征求意见稿外推,至2025年,我国新能源汽车总产销规模约450-500万辆;至2030年或达1000万辆以上。

“双积分”修正案如和最终版本一致,则起到促进企业产品技术升级的作用,以节能降耗为代表的燃油、新能源车型技术进步是大势所趋。基于节油降耗的基本考虑,燃油车型优化各类机内技术,采用阿特金森发动机,降低风阻滚阻,以各类混合动力技术优化工况油耗等的重要性增加;基于提升EC系数的基本考虑,纯电动车型优化三电系统效率,降低风阻滚阻,优化传动系效率的重要性增加;插混乘用车则需兼顾两者,动力构型的选择和技术优化重要性均有所提升。

我们估计,自主品牌整车电耗至2025年有望在目前基础上再降低10%以上;电控中功率半导体在系统乃至整车层面的重要作用有望保持甚至强化。

3、放眼长远,硅基IGBT仍是主流碳化硅基MOSFET中高端发力

我们根据我国新能源汽车市场的总量、结构演变来估计新能源汽车功率半导体市场空间的变化。基本假设如下:

2020年、2023年、2025年我国新能源汽车产量分别为160万辆、320万辆、480万辆;2020年-2022年,只有少部分B级及以上车型采用碳化硅基MOSFET,其他车型采用硅基IGBT;估计2023年是8英寸碳化硅衬底技术商业化初步成熟之年,届时相当数量B级及以上车型采用碳化硅基MOSFET,A级及以下车型仍使用硅基IGBT;硅基IGBT成本降幅为每年4%(根据美国能源部DOE《新能源汽车电机电控2025技术发展路线图》估计,2020年电控成本3.3美元/kW,2025年2.7美元/kW);碳化硅基MOSFET成本每年降低2%(碳化硅晶体生长复杂度高,规模化复制难度大,规模效应红利相对较小),但2023年一次降低10%(对应8英寸衬底规模化应用降本)。

我们估计,至2025年,我国新能源汽车用功率器件市场规模在100亿元以上。其中硅基IGBT逾70亿元,碳化硅基MOSFET近40亿元。

功率半导体产业是我国新能源汽车产业中自主可控程度相对较低的环节。我们认为,随着我国新能源汽车产业的发展,销量提高、销量结构向好,新能源汽车用功率半导体的对外依赖度也将逐步降低。新能源汽车有望实现产业链全环节自主可控、全环节在竞争性市场中立足。

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