汽车半导体行业5月专题：以电为轴，碳化硅按下“能量流”加速键

碳化硅为汽车“能量流”按下加速键。作为半导体的重要增长极，汽车市场的增量空间沿“能量流”和“数据流”两条主线展开，能量流为汽车提供底层能量支撑，其中，功率半导体作为实现能量转换的核心，含量大幅增加。 随汽车对电能高效利用的要求提升，具有小芯片面积、低开关损耗、高热导率及强击穿场的碳化硅（SiC）功率器件成为该应用的最佳选择，沿电能方向提升各部分能量利用效率，驱动汽车高效前行。 新能源汽车销量持续旺盛，零部件及芯片需求同步攀升。4月新能源汽车销量受疫情影响，除比亚迪、极氪外，新势力车企环比承压。此前，3月全国新能源乘用车销量回暖至48.4万辆(YoY+110%)，电机电控搭载量48.9万台(YoY+122%)，其中多合一电驱动系统搭载量29.6万台(YoY+157%)；OBC装机量44.35万套(YoY+136%)，多家厂商开始采用碳化硅方案。此外，国产功率模块厂商成长迅速，斯达半导、比亚迪半导体、中车时代半导体均进入1Q22国内前五功率模块供应商，装机量均超10万套；此外，士兰微模块已批量上车，搭载量将随产能释放提升。 主逆变器为碳化硅上车的主要发力点。逆变器的能量转换效率是汽车续航能力的关键，与硅基方案相比，碳化硅方案总损耗为硅基方案的二分之一且总芯片面积为硅基的五分之一。随800V架构推动器件向1200V演进，碳化硅方案成本由硅的3.5倍降至2.6倍，加之性能提升带来近750美元的电池成本降低，成为性能与成本的最优选择。预计21-27年全球碳化硅器件新能源汽车主逆变器市场将从6.3亿元增至45.9亿美元，复合增速为39%；占车用碳化硅市场90%。目前，碳化硅在特斯拉、比亚迪汉、现代、蔚来及宇通客车等主逆变器上已量产，随车企验证逐步完成，22年将有更多车型开始应用。 车载充电器（OBC）为碳化硅上车的催化剂。车载充电器是决定汽车充电效率的关键，随着对充电时间缩短和动力电池电压的要求提升，OBC功率升级。在高功率平台下，碳化硅系统成本可低于硅方案的15%，能量密度提升1.5倍，能耗成本每年可减少40美元。在此驱动下，预计21-27年全球碳化硅器件新能源汽车OBC市场将从0.5亿美元增至3.41亿美元，CAGR为38%。目前，碳化硅OBC、DC/DC渗透最快，已有多家车企及Tier-1如丰田、LucidAir、比亚迪、大众、东风、欣锐科技等采用。 导电型衬底扩产持续，碳化硅器件加速渗透。预计导电型碳化硅衬底全球头部公司产量(折合6英寸)27年将增至259万片，叠加我国衬底扩产增量，27年全球导电型碳化硅衬底将超300万片；对比27年全球新能源汽车衬底需求超355万片，供给端仍有扩产空间。相应地，碳化硅器件市场将从21年11亿美元增至27年63亿美元以上，其中新能源汽车将从7亿美元增至50亿美元，占79%。此外，碳化硅MOSFET及模块价格25年有望分别降至IGBT及模块的2.8倍和2倍，将催化碳化硅渗透。 投资建议：聚焦“能量流”主线，推荐汽车功率半导体IDM龙头士兰微、闻泰科技，特色工艺代工厂华虹半导体，产业链相关公司包括斯达半导、时代电气、BYD半导(未上市)等。 风险提示：电动化不及预期；汽车需求下降；碳化硅渗透不及预期。 行业动态 5月1日，多家新能源车企发布4月销量快报，环比普跌、同比普涨：比亚迪(10.6万辆，MoM+1%,YoY+313%)、极氪(0.2万辆，MoM+19%)、埃安(1.0万辆，MoM-50%,YoY+23%)、小鹏(0.9万辆，MoM-42%,YoY+75%)、蔚来(0.5万辆，MoM-49%,YoY-29%)、理想(0.4万辆，MoM-62%,YoY-25%)、哪吒(1.0万辆，MoM-27%,YoY+120%)；比亚迪、小鹏、哪吒、埃安销量居前，整体新势力4月受疫情对供应链影响承压。此前，据中汽协统计，3月新能源汽车产销分别达46.5万辆(MoM+25.4%,YoY+110%)和48.4万辆(MoM+43.9%,YoY+110%)，纯电动增速回升。 图1：2019-2022年全国新能源汽车产销量情况（万辆） 图2：全国新能源汽车市场销量（按动力，万辆） 纯电动A级车以下占比近70%，车型多元化发力。据乘联会统计，3月，A00级纯电动车销量11.9万辆(占32%)，A0级纯电动车销量5.5万辆(占15%)，A级纯电动车销量8.2万辆(占22%)，B级纯电动车销量5.5万辆(占30%)，比亚迪纯电动与插混双驱动处于领先地位，13家车企销量破万。 图3：全国乘用车新能源汽车市场情况（按车型，万辆） 图4：2022年3月乘用车新四化指数 智能化：按L0-L5自动驾驶级别进行衡量，至少满足L1条件的车型可称为智能化车型（22年1月增加自适应巡航系统必装）。网联化:初级（车联网）、中级(人与车智能交互)和高级(车与万物互联），初级至少需具备(上网)移动通信模块(22年1月增加OTA在线升级）。 A级-轴距 :2.45-2.65m ，排量:1.6-2.0L;B级-轴距2.6-2.75米，排量1.8-2.4L;C级-轴距 :2.7-2.8m ，排量2-3L;D级-轴距大于2.8m ，排量3.0L以上。） 汽车智能化标准升级，网联化程度明显增加。电动化指数28.1，呈现了强势增长特征;而智能化将是未来产品竞争的主要领域,指数环比增加；此外，目前主流厂商开始重视OTA在线升级功能，随着产品更新换代，在线升级功能将逐步搭载于新上市的产品上，网联化指数增长加快。 3月新能源乘用车电机电控搭载量达到48.94万台(YoY+122%,)。1Q22累计搭载110.99万台，占21年全年总量34.1%；其中，三合一电驱动系统搭载量为29.56万台(YoY+157%,MoM+201%)，1Q22累计搭载64.03万台，占21年全年总量38.2%，渗透加速。电控装机量前三为弗迪动力、特斯拉和汇川技术。 表1：2022年3月全国新能源汽车电驱动市场情况 3月OBC装机量共44.35万套(YoY+135%)：受DMI拉动，弗迪动力环比增长60%，英搏尔凭借单管并联方案在A00等小车客户优势销量保持增长，欣锐科技供货DMI车型后装机量增加，其余部分未装车型为换电车型。 表2：2022年一季度全国新能源汽车功率半导体配套情况 斯达半导、比亚迪半导体、中车时代半导体均进入1Q22国内前五功率器件供应商之列。随着我国新能源汽车快速发展，国产功率模块厂商成长迅速，据NE时代统计，1Q22斯达半导装机量18.2万套，比亚迪超16.1万套以上（统计上调中），中车时代半导体10.9万套；此外，士兰微IGBT模块已批量应用于零跑、比亚迪等汽车客户，预计市占率将随12英寸线产能释放逐步提升。 以电为轴，碳化硅按下“能量流”加速键 汽车电动化过程中，电能取代燃油成为汽车驱动的能量来源，汽车能量流发生变化。新能源汽车不再使用汽油发动机、油箱或变速器，“三电系统”即电池、电机、电控系统取而代之；同时，配套新增DC-DC模块、电机控制系统、电池管理系统、高压电路等系统以完成电能在汽车中的分配与管理。相应地，实现能量转换的核心器件——功率半导体含量大大增加。此外，随汽车含电量增加，其电气架构复杂程度及功率水平提升，加之对长续航、高驱动性能即电能高利用率低损耗的要求，具备热导率高、临界击穿场强高、电子饱和漂移速率高等特点的碳化硅（SiC）功率器件成为最佳选择之一。 图5：碳化硅在汽车中的应用 SiC器件方案总损耗为硅基方案的二分之一且总芯片面积为硅基方案的五分之一，优势明显。以意法半导体的主逆变器方案为例，对于同一个210kW的逆变器，假设10kHz的工作频率和800V的总线，与硅器件解决方案相比，使用SiCMOSFET方案带来的效率增益近3%-8%，开关损耗降至硅基方案的四分之一：从564W降至143W，考虑传导损耗后的总损耗降低两倍：从864W降至450W，而总芯片面积仅为硅基器件的五分之一：从600mm（IGBT加FRD）降至120mm。 图6：碳化硅方案优势及在汽车中的可应用范围 沿电能在汽车中流动的方向，碳化硅器件主要被应用于主逆变器、车载充电器(OBC)、DC-DC转换器中。由于SiCMOSFET能够在650V-1600V电压范围内工作，非常适合应用于汽车主逆变器、DC-DC变换器和OBC。由于整车动力来源中电能占比不同，碳化硅的渗透情况各不相同： （1）主逆变器作为汽车动力的来源，是全车功率最高的部分亦是碳化硅器件最具应用前景的部分，混动车型平均功率70kW左右，纯电动车型平均功率接近150kW，中长续航版本功率在此基础上将进一步提升，在上述车型中碳化硅均有应用需求； （2）车载充电器主要应用于插电式混动、纯电动这类可从电网获取电能的车型上，随充电速度及装置空间要求提升，在11kW以上的类型中碳化硅器件快速渗透； （3）DC-DC转换器中包括不同功率类型，在高压转换部分可用到碳化硅器件。 主逆变器：碳化硅上车的主要发力点 主逆变器作为电动汽车的驱动源，是保证汽车续航能力的关键。在电动汽车中，电机驱动汽车往前行进，其运转及能量分配由电控系统实现。其中，电控的主要部分-逆变器将电池提供的直流电转换为电动机所需的交流电，向电动动力总成提供电能，电动机通过永磁体提供励磁将电能转换为机械能驱动车轮。而在减速模式下，电机通过将机械能转换为电能为车辆电池充电。因此，电驱动系统需维持高能量转换效率运转，同时以最低重量及最小的空间占用为电动汽车续航能力提供保障。 图7：碳化硅模块在整车主逆变器中的应用 主逆变器的能量转换主要通过功率器件及配套外部设计实现：以Wolfspeed方案为例,主逆变器的核心为碳化硅功率模块，其重量和体积大约是标准硅模块的一半。在此基础上，要发挥碳化硅的高开关速度、耐温等优异性能还需要先进的散热技术、低杂散电感电路设计、高效栅极驱动器支持。因此，在碳化硅模块外部需加入冷却部分以实现在高电流密度运行环境中的快速热传导，避免局部过热影响器件的开关性能；还需外加驱动器以驱动碳化硅器件进行开关。同时，电路的运转需通过控制器对输入采样作出控制决策、ADC测量系统状态进行监测。 碳化硅MOSFET数量取决于工作电压/电流要求及封装形式（单管/模块）。以特斯拉为例，Model 3电机电控有210kW版本中，每4个SiC模块并联构成了桥臂的上桥或者下桥，每一套功率芯片对应一套驱动及隔离保护；每相电对应上下一组共8个碳化硅模块，三相电总共对应24个模块；由于每颗模块中有2个SiC裸芯片，因此，主逆变器共使用48颗SiCMOSFET。相比IGBT方案：每6个IGBT单管并联桥臂的上桥或者下桥，碳化硅方案芯片数量及总面积均减少。 图8：主逆变器系统 碳化硅是中高端、长续航车型结合性能与成本考虑的最佳选择。根据Yole统计，SiC器件价格需降至Si器件2.5倍左右才能使电动汽车成本打平，渗透率才会加速提升。目前，650V电压等级碳化硅方案性能是硅方案的3倍但成本是硅方案的3.5倍，不具优势。而随着电动汽车向800V架构过渡，功率器件工作电压从650V向1200V演进。当电压等级升至1200V时，碳化硅方案性能是硅方案的4倍但成本仅是硅方案的2.6倍。在器件成本与性能两方面考虑下，碳化硅器件将成为最佳选择。此外，SiC器件可使得从混动到长续航纯电动汽车节省5-750美元的电池成本，因此长续航版本的电动汽车也将成为碳化硅渗透的主要车型。 图9：碳化硅在主逆变器应用中的渗透驱动力 主逆变器是未来碳化硅器件在新能源汽车领域的主要发力点。根据Yole预计，2021-2027年碳化硅器件在全球新能源汽车主逆变器中对应的市场空间将从6.3亿美元增至45.9亿美元，复合增速为39%；占新能源汽车用碳化硅器件市场的90%左右。目前，碳化硅在特斯拉、比亚迪汉EV四驱高性能版、现代、蔚来ET7及宇通客车等主逆变器上已量产，随着车企验证逐步完成，未来将看到碳化硅模块在更多的车型上的应用。 图1