汽车半导体7月专题：IGBT打通汽车能量流，缺货加速国产替代

政策与市场双驱动，6月新能源汽车销量持续走强。6月主要新能源汽车销量实现大幅增加，比亚迪、埃安、小鹏销量居前三，7家本土车厂新能源汽车月销量超万台，问界M5月销量突破7000台；在刺激消费政策支持下，根据乘联会预计，6月新能源汽车零售有望突破50万台，创历史新高。此前，5月市场迅速回暖，零部件均同环比回升：电机电控搭载量35.8万台(MoM+26.1%，YoY+71.2%)，OBC装机量32.3万套(MoM+23.8%，YoY+81.8%)。 相应地，5月新能源上险乘用车功率模块搭载量35.6万套，其中IGBT方案占84.0%，碳化硅MOSFET方案占3.8%，SiMOSFET方案占12.2%。 IGBT是高压、高速、大电流应用中的主要功率半导体器件。作为复合功率半导体器件，IGBT兼具了MOSFET输入阻抗高、控制功率小、开关速度快和BJT通态电流大、通电压低、损耗小的优点；在此基础上，IGBT结构设计从沟槽到减薄再到微沟槽等方向演进，实现了电场分布、结温、短路能力等参数的不断优化：以英飞凌为例，目前已推出了7代IGBT产品。 IGBT是汽车电能转换的关键连接器。IGBT器件在新能源汽车主逆变器、车载充电器(OBC)、升压换流器及辅助系统中被广泛应用。其中，主逆变器IGBT以模块形式为主，纯电动车需要1-2个，混动汽车需要2-3个，单价从650元到2000元不等；同时，成本较低的IGBT单管方案正在逐步渗透：以120KW电机为例，单管方案比模块方案成本降低约40%。此外，由于汽车零部件时常暴露高温、高湿、高压环境中下，要求车规级半导体可承受温度区间达-40℃-150℃（工业级：-40-105℃）且产品寿命需达15年及以上，因此车用IGBT技术难度大且封装要求高。 2025年全球新能源汽车IGBT市场空间将增至318.8亿元以上。在大部分汽车采用的400V电压平台下，碳化硅MOSFET方案成本是硅基IGBT方案的3.5倍，IGBT是考虑性能与成本的最佳选择。因此，我们预计21-25年全球新能源汽车IGBT市场将从99.9亿元增至318.8亿元，其中IGBT单管市场将从19.1亿元增至57.3亿元，模块市场将从80.4亿元增至261.5亿元；中国新能源汽车IGBT市场将从48亿元增至156.7亿元，其中IGBT单管市场将从9.2亿元增至24.3亿元，模块市场将从38亿元增至132.4亿元。 缺货加速国产化替代，中国IGBT厂商迎高速发展机遇。在汽车缺芯催化下，我国车用IGBT生态链日趋成熟，根据NE时代数据，22年5月我国新能源上险乘用车IGBT功率模块搭载量约29.8万套，其中比亚迪、时代电气、斯达半导及士兰微已实现大批量供货：比亚迪半导体搭载约7.2套（占24%），斯达半导搭载约6.2万套（占21%），时代电气搭载约3.9万套（占13%），士兰微搭载0.6万套（占2%），国产化渗透率近60%。未来，随着各公司产能提升，预计22年下半年至23年将迎来新能源汽车IGBT国产替代的高峰期。 投资建议：关注新能源汽车IGBT国产化提升带来的产业发展机遇，推荐推荐关注汽车电动化环节的功率半导体代工龙头华虹半导体，斯达半导以及有较大规模自有产能释放的IDM龙头士兰微、闻泰科技等，产业链相关公司包括时代电气、BYD半导(未上市)等。 风险提示：新能源汽车需求不及预期；IGBT渗透不及预期。 行业动态 6月新能源车消费持续走强，比亚迪、埃安、小鹏新能源车销量领先，多家车企单月破万。7月1日，多家新能源车企发布6月销量快报：其中比亚迪13.4万辆(MoM+17%,YoY+315%)、埃安2.4万辆(MoM+14%,YoY+182%)、小鹏1.5万辆(MoM+51%,YoY+133%)、 哪吒1.3万辆(MoM+20%,YoY+156%)、 理想1.3万辆(MoM+13%,YoY+69%)、蔚来1.3万辆(MoM+85%,YoY+60%)、零跑1.1万辆(MoM+12%，YoY+186%）、问界0.7万辆(MoM+40%）、极氪0.4万辆(MoM-0.6%)。此前，据中汽协统计，5月新能源汽车产销分别达46.6万辆(MoM+56.0%,YoY+114.6%)和44.7万辆(MoM+43.4%,YoY+105.7%)。6月大部分新能源汽车品牌均实现高速增长，乘联会预计今年6月新能源车零售近50万辆，创历史新高。 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） 图3：全国乘用车新能源汽车市场情况（按车型，万辆） 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。） 5月比亚迪纯电动与插混双驱动夯实自主品牌新能源领先地位，纯电动A级车及以下占比约70%。据乘联会统计，5月A00级纯电动车销量8.6万辆(占32.1%)，A0级纯电动车销量2万辆(占7.5%)，A级纯电动车销量8.0万辆(占29.8%)，B级纯电动车销量4.7万辆(占17.7%)，整体市场随疫情恢复逐步回暖，比亚迪纯电动与插混双驱动夯实自主品牌新能源领先地位。 5月新能源乘用车电机电控搭载量为35.8万台(MoM+26.1%，YoY+71.2%)，OBC装机量共32.3万套(MoM+23.8%，YoY+81.8%)。在电控系统方面，三合一电驱动系统搭载量为19.6万台(MoM+34.2%，YoY+77.8%)，随着长三角供应链恢复，整体环比大幅改善。弗迪动力、汇川技术和日本电产位居前三，其中汇川配套量在理想拉动下大幅增长。OBC整体保持增长态势，前五位格局基本保持不变；其中，欣锐科技率先应用SiC，威迈斯、英博尔等企业也发布了基于碳化硅的OBC产品方案。 表1：2022年5月全国新能源汽车电驱动市场情况 5月我国新能源上险乘用车IGBT功率模块中国产供应商斯达半导、比亚迪半导体、中车时代电气、士兰微合计占比近60%。据NE时代统计，22年5月我国新能源上险乘用车IGBT功率模块搭载量约30万套，其中比亚迪半导体搭载约7.2套（占24%），斯达半导搭载约6.2万套（占21%），时代电气搭载约4.0万套（占13%），士兰微搭载0.6万套（占2%），预计其市占率随下半年产能释放将环比提升。 表2：我国22年5月新能源上险乘用车IGBT功率模块国产化情况 5月我国新能源上险乘用车功率模块中以IGBT方案为主，碳化硅渗透率为4.2%。 据NE时代统计，22年5月我国新能源上险乘用车IGBT功率模块搭载量约30万套，占整体功率模块84%，其中单管方案配套量0.5万套（占IGBT配套量1.8%）； 碳化硅配套量约1.4万套，渗透率为3.8%，主要品牌为特斯拉、比亚迪、蔚来； Si MOSFET方案配套4.3万套，渗透率为12.2%，主要配套驱动功率20-30kW的A00级车型。 表3：我国22年5月新能源上险乘用车功率模块情况（按功率器件类型） IGBT打通汽车能量流，国产品牌驶入高速快车道 IGBT为电能转换的关键连接 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。其中IGBT（InsulatedGateBipolar Transistor）即绝缘栅双极型晶体管广泛应用于汽车的电动部分以完成电能转换，是电机电控的主要组成部分，与其他功率器件一起约占成本近41%。 图4：IGBT在汽车中的应用 IGBT在高压、高速、大电流等方面相比其他硅基功率半导体器件具备明显优势。作为MOSFET和BJT组成的复合功率半导体器件，既具备了MOSFET输入阻抗高、控制功率小、驱动电路简单、开关速度快的优势，也具备了BJT通态电流大、通电压低、损耗小等优点,解决了MOSFET高压情况下电流不能太大的问题。 以英飞凌为例，围绕电场分布、结温、短路能力等参数进行优化，英飞凌推出了7代IGBT产品且在3/4/7代实现了变革性的技术突破：IGBT3通过背面注入了一个掺杂浓度略高于N-衬底的N缓冲层，使得电场强度可迅速降低，整体电场呈梯形且漂移区厚度减小，实现了关断时拖尾电流及损耗（低导通压降）的降低。IGBT4通过薄晶圆及优化背面结构，进一步降低了开关损耗，提升了器件输出电流的能力。IGBT7则是增加了多种形式沟槽，综合各沟槽形式的优点，使得性能显著提升。 图5：英飞凌IGBT产品 表4：英飞凌IGBT产品参数 芯片和封装可靠性是车规IGBT模块可靠性的关键。考虑到汽车零部件时常暴露在恶劣的气候条件下，在高温、高湿、高压条件下要避免腐蚀或氧化，车规级半导体要求可承受温度区间达-40℃-150℃（工业级：-40-105℃），产品寿命需达15年及以上，因此要求芯片需在钝化层设计以及绑定线焊点、芯片结温等方面优化。 同时，由于机械振动会导致绑定线自身的开裂、相关连接件的松脱以及封装外壳的开裂等，因此IGBT模块封装必须满足振动等级的要求；加之温度、负载快速变化，衬板焊料层可靠性也是封装的关键及技术难点。 图6：IGBT车规级封装的技术路线 IGBT为汽车动力域的关键器件 IGBT器件主要被应用于主逆变器、车载充电器(OBC)、升压换流器及辅助系统中: （1）主逆变器作为汽车动力的来源，混动车型平均功率70kW左右，纯电动车型平均功率接近150kW，B级车以下动力需求将使用650V-750V功率器件，IGBT作为合适选择应用； （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6.6kW的类型中IGBT被广泛应用； （3）升压换流器主要用于解决小电池组高输出电压的问题。在混动汽车或燃料电池汽车中，由于驱动电动汽车电机电压需比电池组所提供的电压要高很多，且电池电压随电量消耗而衰减，通过使用升压转换器可将电池的直流电压提升至所需的水平且维持相对稳定，以保证电机电控的正常工作。 （4）辅助系统中，保持电池及系统温度的电加热器、高压向低压油/水泵及空调系统供电的辅助逆变器等领域均涉及高压、大电流场景，IGBT均被应用以实现电能的高效转换。 图7：IGBT在不同车型中的应用 IGBT将作为主逆变器的主流器件应用于新能源汽车中。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，IGBT是逆变器的核心部件。以英飞凌的主逆变器解决方案为例，IGBT数量则取决于工作电压/电流要求及封装形式（单管/模块）：在电机电控中，N个IGBT芯片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2N个IGBT芯片，三相电总共对应6N个IGBT芯片，最后封装为一个模块。 图8：IGBT在主逆变器中的应用 IGBT是绝大部分中压平台车型结合性能与成本考虑的最佳选择。目前，大部分汽车采用400V的电压平台，其对应的功率器件电压600V以上，电流10A以上或频率1KHz以上，在该电压范围内，IGBT具备性能与成本的双重优势。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。以650V电压等级为例，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，不具竞争优势；当电压平台提升至800V，碳化硅才会基于成本与性能的优势进行快速渗透。因此，在碳化硅成本下降空间有限的情况下，IGBT仍将长期作为大部分中低端车型的最佳选择。 图9：I