车规级功率半导体：新能源汽车升级的核心驱动力

· 什么是车规级功率半导体？

功率半导体产品范围示意图，来源：华润微招股书

功率半导体是电子电力设备中用于电能转换和电路控制的核心元件，主要应用于改变电压和频率，以及直流与交流之间的转换，如变频、变压和功率管理等。功率半导体分为功率IC和功率分立器件两大类。功率分立器件包括二极管、晶闸管、晶体管等；而功率IC则涵盖AC-DC、DC-DC和PMIC等器件。晶体管作为功率分立器件的重要组成部分，可根据其工艺分为双极晶体管和场效应晶体管。双极晶体管是流控器件，具备快速响应和强大的驱动能力；场效应管为压控器件，具有高输入阻抗和低功耗特点，包括JFET、MOSFET和IGBT等类型。

车规级功率半导体指的是在汽车电子领域中应用的高性能半导体器件。这类芯片需要满足AEC标准（汽车电子委员会规范）的高可靠性、安全性和稳定性要求，供货周期一般长达10-15年。得益于新能源汽车和汽车智能化的迅速发展，车规级功率半导体市场规模快速增长。数据显示，2022年传统燃油车平均搭载934颗芯片，智能电动汽车则达到1459颗；预计到2025年，这一数量将分别增至1243颗和2072颗。车规级功率半导体同时也是电动汽车“三电系统”的核心部件，影响驱动效率、充电速度和续航里程。混动汽车和纯电动汽车中，功率半导体分别占半导体总价值的40%和55%。

随着新能源汽车的发展，对IGBT和MOSFET的需求持续增长。IGBT适合高压工作，用于将蓄电池的直流电转换为交流电以驱动电机；而MOSFET则适合低压工作。电动汽车中的主驱逆变器和高压辅助系统都依赖功率半导体，其中高、中、低压硅基MOSFET、IGBT以及碳化硅基（SiC）MOSFET是主要应用类型。新能源汽车的发展进一步推动功率半导体在牵引逆变器、OBC（车规级充电机）和DC/DC模块等领域的应用。车规级芯片的需求激增也间接导致了2020年全球芯片短缺危机，尤其是车规级功率半导体的交期延长，价格上涨，反映出国产车规级芯片在供应方面的不足。

· 车规级功率IC

功率IC作为模拟IC的重要组成部分，主要分为AC/DC、DC/DC、电源管理、驱动IC等类别，还包括栅极驱动芯片、热插拔芯片、低压差调节器、线性调节器等。电源管理IC是功率IC的最大分类，因此功率IC常被直接称为“电源芯片”。电源芯片根据输入电源属性、工作原理、耐压等级等指标，可细分为AC-DC电源芯片、线性降压电源（LDO）芯片和DC-DC电源芯片。

近年来，新能源汽车、消费电子、工业自动化、5G通信等领域的发展推动了功率IC的升级。功率IC作为系统信号处理和执行的桥梁，将高压功率器件与控制电路、接口电路集成在同一芯片上。根据Transparency Market Research数据，全球电源管理芯片市场规模将于2026年达到565亿美元，年复合增长率为10.69%。2021年全球功率IC市场规模为305亿美元，2023年受DRAM价格下滑和市场竞争影响预计下滑，之后将恢复增长。功率IC占全球功率半导体消费的50%以上。

目前，全球功率IC市场由德州仪器（TI）引领，营收和市占率均居首。TI的功率IC种类齐全，几乎在各细分类型中领先。高通、英飞凌等也是全球主要玩家。国内市场份额较小，前十企业合计不足10%，主要依赖国产替代。国内企业如晶丰明源、富满微电子、南芯半导体等正在快速增长，汽车智能化和光伏需求推动国产功率IC发展。

作为车规级功率半导体重要分支，车规级功率IC广泛应用于智能座舱、自动驾驶、照明系统、BMS等场景，主要包括AC/DC、DC/DC、LDO、驱动芯片和电池管理IC。其中，BMS中AFE芯片缺口最大，是最紧缺的电源管理芯片之一。2022年BMS市场规模约810.65亿元，预计2024年增至923.75亿元。BMS在电动汽车中至关重要，负责电池组的安全和高效运行。其核心技术包括AFE、MCU和高精度ADC，支持实时监控和电池保护。随着新能源汽车发展，BMS技术需求提升，国内企业正加紧研发追赶国际水平。

BMS关键参数包括电池串数支持、采集精度、功耗等。目前，市场需求逐渐从A00/A0级转向A/B级汽车，推动了电池包串数的增加，这对BMS的设计提出了更高要求，特别是中高压芯片的工艺水平。国内企业如大唐恩智浦已将EIS功能集成至电池管理芯片中，实现在线应用以预知电池风险。其DNB1168芯片具备EIS功能，为单节电芯采样。

无线BMS是另一趋势，如TI的CC2662方案简化设计，减少成本。无线BMS技术的普及使系统设计更灵活高效。相关企业如TI、ADI等已推出多款方案。新国标GB/T 34131-2023对BMS提出了更高的采集精度和周期要求。欧盟新电池法还规定电池需具备碳足迹声明和数字护照功能，大唐恩智浦的DNB系列AFE芯片可实现全生命周期健康管理。

近年来，功率IC的技术趋势正朝高集成度、定制化和高可靠性方向发展。高集成度使其设计和制造更加复杂，目前先进的BCD工艺已进展到40nm。高可靠性则要求功率IC具备更高的IC参数余量和更广的温度范围。国内功率IC研发在工业、汽车产业等高端应用领域存在短板，需加大投入以满足市场需求。

功率IC领域虽然入门门槛不高，但对持续研发能力要求较高。英飞凌、德州仪器、意法半导体等国际巨头占据主导地位。全球半导体供应链短缺给中国企业带来发展机遇。国内企业如钰泰科技、全志科技、圣邦微电子等，正在各自领域拓展产品线和市场。

· 车规级功率器件

功率器件在新能源汽车中是实现电能转换的关键，MOSFET和IGBT起着重要作用。IGBT适合高压工作，常用于逆变器模块，将电池的直流电转换为驱动电机的交流电；而MOSFET适用于低压工作。新能源汽车的增长推动了汽车功率半导体中IGBT和MOSFET的需求增加。

车规级的IGBT在新能源汽车电控系统中成本占比约37%，是电动化程度越高的车辆中更核心的电子器件。IGBT在不同车型上的价格成本为：A00级车500-600元，A级车1200元以上，B级车2000元以上；混动车2000-3500元，纯电动车2000-4000元，豪华车超过5000元。IGBT在新能源汽车中的高压电能转换起着关键作用，主要应用于主驱逆变、车规级OBC、电池管理和充电桩等系统。

车规级MOSFET广泛用于汽车中的低压电器，如电动座椅调节、雨刷器、LED照明等，要求具备高可靠性、耐高温和紧凑封装。2022年，全球MOSFET市场规模达129.6亿美元，同比增长14.5%。预计2023年将增至133.9亿美元，2024年达156.5亿美元。为了提升汽车性能和安全性，车规级MOSFET需具备快速开关速度、低导通电阻和低电磁干扰特性，并适应高温环境。SiC和GaN等新材料逐渐被采用，以优化散热设计。

全球功率器件市场目前由欧美和日本企业主导，英飞凌以19%市占率领先，安森美和三菱紧随其后，市占率分别为10%和7%。在中国，英飞凌、安森美和华润微分别占据MOSFET市场28.4%、16.9%和8.7%的份额。IGBT市场方面，英飞凌全球市占率高达37%。当前，高端应用市场和核心技术主要由国外企业垄断，尤其在超低能耗高可靠性功率器件领域。国内企业在屏蔽栅和超结功率MOSFET等关键技术上尚未取得显著突破。

中国功率器件行业起步较晚，在中高端产品方面仍依赖进口，技术实力和产品稳定性相较发达国家存在差距。2021年，中国功率半导体市场规模达159亿美元，年均增长率6.3%，成为全球重要市场，主要需求领域为工业控制和汽车电子。国内有约88家功率器件厂商，集中在广东、江苏和上海。近年来，国内企业在新一代半导体材料和制造工艺方面逐渐缩小与国际的差距，在二极管、中低压MOSFET领域实现了一定的进口替代，但市占率有待提升。

· 车规级碳化硅

碳化硅在新能源汽车的高压平台中得到广泛应用，因其在耐压高、开关损耗低和效率高方面具有优势，尽管价格昂贵。特斯拉全系采用碳化硅（SiC）MOSFET，证明其在电压平台上的应用优势，尤其在800V平台上，碳化硅逆变器可以增加续航并降低电池成本。预计到2025年，中国IGBT市场规模将达522亿元，年复合增长率超19%，其中新能源汽车和充电桩用IGBT市场规模将合计达310亿元。

在新能源汽车领域，随着800V电压平台的普及，电机控制器的主驱逆变器正逐步由硅基IGBT替换为碳化硅MOS。电动汽车电动化和高压化趋势下，碳化硅作为功率半导体的未来方向之一，市场潜力巨大。同时，碳化硅产品在工业新能源市场，如MPPT、DC-DC等电路中被广泛采用，并逐步成为必需品。在工业自动化的电机驱动领域，碳化硅MOSFET以其高转速、高功率密度的优势受到青睐。国内碳化硅产品的测试和认证正在进行中，尚需时间通过终端应用验证和可靠性测试。

特斯拉在2018年首次在Model 3中采用碳化硅芯片，引发了国内车企比亚迪、小鹏和吉利等纷纷跟进。然而，此后特斯拉宣布减少75%的碳化硅使用量，但并未详细解释实现方法。业内猜测，该技术或仍在研发阶段，短期内无法大量替代碳化硅应用。未来，随着衬底和外延片成本的降低，碳化硅市场将迅速扩展。许多车企正布局800V高压平台，推动碳化硅应用加速发展。英飞凌和安森美等公司都在积极投资高效半导体技术，提供高功率密度和高集成度的产品。尽管碳化硅面临高成本和良率挑战，但随着技术进步和市场需求增长，碳化硅器件将在电动汽车和功率半导体市场中扮演更重要的角色。

在中国，碳化硅器件的量产主要由比亚迪、芯聚能、斯达和基本半导体等少数公司主导。其中，芯聚能的产品已在吉利和奔驰合作的Smart车型上量产。基本半导体自2017年起布局车用碳化硅器件研发和生产，掌握了从芯片设计到模块封装的全套核心技术，已收获了近20家整车厂和Tier1电控客户的定点，成为国内碳化硅模块量产上车的头部企业。斯达半导体量产光伏碳化硅器件及车规碳化硅模块，并与小鹏汽车合作进入其800V高压平台。此外，国际公司如意法半导体和英飞凌也在加速碳化硅技术的发展。

碳化硅在电动汽车中为动力系统、OBC、车规级DC-DC等带来了低功耗、高效率的优势，尤其在延长续航里程和降低电池成本方面。800V高压平台被视为未来电动汽车的主流平台，其带来的充电快、动力强等优势能满足消费者需求，且降低了系统的整体成本。在电动车充电桩领域，碳化硅器件可以提升电源系统的开关频率和效率，降低无源器件的重量和体积，提高系统功率密度。例如，15kW充电桩模块一般需要4至8颗碳化硅MOSFET，具体数量视器件导通电阻值和输出电流而定。

· 车规级氮化镓

近年来，随着OBC、DC/DC转换器、逆变器等领域的应用不断扩展，部分车企和Tier1企业已在这方面进行布局。根据CASA Research的数据，2020年国内PD快充氮化镓电力电子器件市场规模约1.5亿元，预计到2025年将超过40亿元，年均复合增长率为97%。Yole Development预测，氮化镓功率器件市场将从2020年的4600万美元增长至2026年的11亿美元，复合年增长率达70%，汽车和移动市场价值将超过1.55亿美元。

在电动汽车市场中，氮化镓器件的潜在市场总值可达250美元。以OBC为例，氮化镓的应用可减少充电时间60%，在同体积内将功率从6.6kW提升至22kW。此外，氮化镓在逆变器上的应用可降低70%的能耗，增加5%的续航。行业分析师指出，氮化镓器件有望在未来2-3年内落地于车规级应用中。随着成本的下降，氮化镓将逐渐替代中低功率领域的二极管、MOSFET等硅基功率器件，迎来广阔的市场发展空间。

氮化镓（GaN）在车规级领域的技术优势正逐渐显现，特别是在800V高压快充系统中。随着车企布局高压快充，车规级充电器（OBC）的尺寸正在缩小，额定输出功率从3.3kW、6.6kW向11kW、22kW发展，OBC的开关频率也从矽基的50kHz和SiC的100kHz提升至200~500kHz。当开关频率超过150kHz时，SiC在能耗方面的改善空间有限，而氮化镓凭借其比矽基MOSFET低67%的极低切换损耗，可在高达1MHz的开关频率下运行，成为越来越多厂商的选择，包括特斯拉在内的企业正转向采用氮化镓技术的OBC设计。

尽管氮化镓的开关速度较快可能导致原有拓扑结构设计无法匹配的问题，但可以通过多阶层电流转换设计克服，使氮化镓在800~1200V的高电压下正常运作。未来，氮化镓有望在新一代OBC设计中占据主流地位。氮化镓的低开关损耗在专注市区行车模式的车辆逆变器中表现尤为出色，可提高OBC的功率密度5倍，减少3倍的能源损耗。在不借助额外散热系统的情况下，DC/DC转换器的功率密度可提升1倍，效率从93%提升至98%。氮化镓还能降低逆变器的材料成本约8%。

目前，氮化镓市场发展受到产能、成本及可靠性影响。由于SiC基板生长条件苛刻、晶圆生长速度缓慢，第三代半导体的成本主要来自于此。为确保供应稳定，产业链采取了IDM与代工并存的模式。GaN Systems在车用市场的推进中，依托车规认证JEDEC & ACE-Q101，与车企及合作伙伴合作，开发出AutoQual+可靠度验证方式。GaN Systems已经推出了9.6kW EV DC/DC转换器、7.2kW EV OBC等产品，成为车用氮化镓功率元件领域的领先者。

在产业布局方面，EPC、Transphorm、英飞凌（收购GaN Systems）是氮化镓功率元件市场的主导者，共占据全球90%的市场份额。氮化镓在汽车、5G、物联网等领域的应用正在不断拓展。2025年，电动汽车中氮化镓芯片的市场机会预计将超过25亿美元/年。随着行业发展，国内企业如安世半导体、士兰微等也在积极推进GaN FET产品线。

总的来看，车规级功率半导体在新能源汽车的发展中扮演着至关重要的角色。随着全球汽车电动化和智能化进程的加速，功率半导体的市场需求持续增长，特别是对高性能、高可靠性车规级芯片的需求日益增加。然而，供应链紧张和技术壁垒使得国产车规级功率半导体的发展面临挑战。未来，碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）等新型材料将在提升功率半导体性能、降低功耗方面发挥关键作用，进一步推动新能源汽车和充电桩技术的升级。国内企业需抓住机遇，通过技术创新和市场拓展，早日实现车规级功率半导体的自主化和产业化，满足汽车市场对供应链安全的需求。

来源： 半导体产业研究

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