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新能源汽车是功率器件增量需求主要来源

发布日期:2023-01-04 发布者:合明科技 浏览次数:392

今天小编为大家带来一篇新能源汽车是功率器件增量需求主要来源介绍~

01.下游应用领域广泛,新能源汽车为主

作为电能转化和电路控制的核心器件,功率器件下游应用十分广泛,包括新能源(风电、光伏、储能和电动汽车)、消费电子、智能电网、轨道交通等,根据每个细分领域性能要求的不同(频率、电压、损耗),选择不同的功率器件。按照下游应用划分,汽车领域占比达 40%,次是工业占比27%,消费电子占13%,其他领域(如通讯、计算机等领域)占 20%,功率器件在汽车和工业领域应用较多,需求稳定性也较强,消费领域应用相对较少。


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02.IGBT、SiC模块和MOS是主要增量

根据 Yole 的数据,2021年全球功率半导体器件市场大约175亿美元,2026年将增长至 262亿美元,复合增速达到6.9%。其中,增量较大的主要是IGBT模块、SiC 模块、MOSFET 和 GaN 产品。

其中,硅基 MOS 市场规模将从2021年的75亿美元增长至2026年的94亿美元,复合增速为3.8%,IGBT 市场规模将从54亿美元增长至2026年的84亿美元,复合增速为7.5%,SiC 模块市场规模从2020年的5亿美元以下增长至2026年的20亿美元以上,而硅基 MOS、IGBT 和 SiC 模块主要增长的下游驱动均来自于电动车和工业(主要是光伏、风电和储能)领域。

功率半导体类别及市场规模:

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资料来源:Omdia

低端产品已实现部分国产替代,高端分立器件国产化空间广阔。对国内市场而言,功率二极管、功率三极管、晶闸管、中低压MOSFET 等分立器件产品部分已实现国产化,而功率MOSFET 特别是高压超级结MOSFET、IGBT 等高端分立器件产品由于其技术及工艺的复杂度,还较大程度上依赖进口,国产化率低,未来进口替代空间巨大。

全球功率分立器件市场规模(左);全球功率器件各细分领域市场规模(右):

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资料来源:Omdia

03.受益电动化、高压化,车用功率器件价值量数倍提升

车用功率器件快速增长主要来自于电动化。所有汽车都会配备12V平台,2011年,欧洲车企联合推出48V轻混系统,以满足日益增长的车载负载需求以及排放法规。在新能源汽车中,为满足动力高功率需求,400V(或更高电压)电气平台被引入,伴随着需要使用大量的功率器件。

新能源汽车中,新增功率器件主要用于主驱逆变器、车载充电机(OBC)、直流-直流变换器(DC-DC)等动力系统零部件。除动力系统之外,热管理系统中的PTC加热器、压缩机,水泵和油泵等需要功率器件进行驱动,另外,配套的充电桩也需要使用大量功率器件。功率等级的不同也对应不同功率器件的选择。
燃油车功率器件价值量大约70美元,插电混动和纯电汽车由于新增功率器件具有高压、大功率的特点,价值量提升较大,根据英飞凌测算,纯电和插电混动汽车半导体价值量834美元,增量438美元中330美元来自于功率器件。在全球市场,特别欧洲地区,48V混动系统仍有一席之地,其176美元的增量中有90美元来自于功率器件。
高压化也是汽车电动化之后一个新的趋势,高压化指的是将目前电动车的400V电气平台升级为800V电气平台。高压化能在降低充电时间、提升电气平台效率同时降低整车重量。其中加快充电速度,以减少里程焦虑是下游客户选择高压平台的主要驱动之一。根据保时捷测算,在400公里续航里程的条件下,续航充电800V平台可以将充电时间从29分钟降低至19分钟,从而大幅减少用户在充电站的等待时间。
目前国内新势力,传统整车厂和海外平台相继跟进高压化。高压电气平台也对使用的电力电子设备提出了更高的要求,因此其中的功率器件也需要全面的升级。除了动力电池及 BMS 需要提升外,高压电路中的主驱逆变器,OBC,DC-DC,电空调中的功率器件都需要向更高耐压的型号升级,因此单车价值也会有所提升。
04.风、光发电配套储能设备拉动功率器件需求增长

在新能源发电领域中,风能发电、光伏发电市场快速发展,因为直接产生的电能不能直接并入电网,因此需要通过变流器、逆变器等进行电能转化,进行储存或者并入电网,储能领域也是如此,储能变流器需要控制储能电池组的充放电,进行交直流变换,功率器件作为其核心电能变换器件,需求迎来大幅增长。在光伏发电领域中,光伏逆变器主要分为集中式逆变器、组串式逆变器和微型逆变器,对于不同的应用环境和功率要求,选择不同类型逆变器。光伏逆变器中包含升压模块和逆变模块。一般光伏逆变器采用3相全桥形式,逆变模块需要6组IGBT。以阳光电源的逆变器 SG125HV 为例,使用了3个英飞凌的IGBT模块,每个模块中封装了2组 IGBT。升压模块中用到 Boost 电路,会根据功率需求配置几组 MOSFET 器件。因为碳化硅器件转换效率高,逐渐在新能源发电中被采用。

国产光伏逆变器厂商市占率全球领先,2019年在全球逆变器出货排名前十中,有六家来自中国的供应商,分别为:华为、阳光电源、古瑞瓦特、锦浪科技、上能电气和固德威。其中华为和阳光电源市占率分别达22%和13%,位居全球前二。国产逆变器厂商实力雄厚,出货量稳固,也利于国产功率器件进入国际市场。
在风力发电领域,风电变流器根据风速大小适应发电机转速,使风机实现最佳风能捕获,风电变流器是关键部件之一。风电变流器分为机侧和网侧两部分,采用IGBT 模块。机侧和网侧的变流器各有6组 IGBT,共计12 组。单个功率模块功率有限,每组 IGBT 会用多个 IGBT 模块进行并联,以达到需要的电压和功率。
在碳中和、碳达峰趋势下,全球风电、光伏新增装机量持续快速增长,2021年全球光伏新增装机达175GW,同比增长超过 21%,风电新增装机量约94GW,同比基本持平。随着风力和光伏发电设备装机量的增加,电网在输配、波动性调控方面难度加大,储能市场迎来爆发式增长,预计2025年风电,光伏,储能总计总新增装机量将增长至 687GW。结合功率器件每 GW 的价值,根据测算,2021年全球光伏逆变器、风电变流器、储能变流器需要的功率器件市场大约114亿元,2025年有望增长至255亿元(按照 6.7 的汇率折算为38 亿美元),复合增速达到22%。
05.超结MOSFET驱动力:直流充电桩/5G/新能源车带来发展新机遇 

充电桩:高压超级结MOSFET 顺应国内直流充电桩“快充”发展潮流日益提升的快充需求下直流充电桩渗透率提升至四成,功率不断提升。充电桩可分为公共直流/公共交流/私人桩,高充电功率的直流桩充电速度最快,而私人桩、公共交流桩充电功率低、充电时间长。随着下游新能源汽车市场的爆发,国内对配套设施充电桩的需求也日益增加。据Wind数据显示,2021年国内公共充电桩保有量114.70万个,2016-2021 年CAGR 高达 52.02%。其中17 年至19年,直流充电桩的占比从28.7%上升至41.6%,占比提升较快,21 年直流充电桩占比保持约四成左右。直流充电方式相较家用标准交流电充电方式速度大幅提高,一个150kW的直流充电器可以在大约15 分钟内为电动汽车增加200公里续航,随着新能源汽车渗透率进一步提高,直流电充电方案需求将同步提升,2020 年国内新增直流桩功率达到131KW,未来直流桩新增装机功率有望进一步提升。此外,Yole预计2020-2025年,全球100kW及以上的大功率直流充电桩数量将以高达36.85%的CAGR 增长,大功率直流快充呈现高速增长态势。

国内充电桩保有量结构(左);国内公共充电桩保有量及同比增速(右):

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资料来源:Wind

超级结MOSFET 成快充主流选择,2025年全球直流桩SJ MOS 市场规模有望超20亿元。直流充电桩则通过自带的AC/DC充电模块将输入的交流电转为直流电,不通过OBC直接完成变压整流。超级结 MOSFET 因其更低的导通损耗、开关损耗、高可靠性、高功率密度,已成为主流的大功率充电桩功率器件应用产品。根据充电桩功率模块电路结构,随着平均单桩功率提升,我们预测2025年直流桩单桩 SJ MOS 用量 168 颗,结合IEA 预测2025年全球直流桩新增保有量达84.6万个,在SJ MOS 单颗售价15.8 元,市场渗透率达90%的假设下,我们预计 2025 年全球直流桩 SJ MOS 市场规模为20.3亿元,对应21-25年CAGR为34.9%,其中22-24 年的CAGR为42.8%;2025年国内市场规模为12.7亿元,对应21-25 年CAGR 为60.4%,其中22-24 年的CAGR为56.7%。

全球直流充电桩保有量预测(左);全球直流充电桩超结MOSFET市场规模预测(右):

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资料来源:Yole

我国新能源汽车销量增速有望持续高企,单车功率半导体用量是传统燃油车的5倍。据中国汽车工业协会统计,2021年国内新能源汽车销量实现爆发性增长,全年销售共计352万辆,同比增长157.48%。在“碳中和”、“碳达峰”目标下,我国新能源汽车市场高景气度有望持续。新能源汽车中的功率半导体含量大大增加,主要增量来源于逆变器中的IGBT 模块、DC/DC 中的高压MOSFET、辅助电器中的IGBT 分立器件、OBC 中的超级结MOSFET。据英飞凌数据显示,一辆电动车的MOSFET分立器件用量接近200个,部分高端新能源汽车车型对MOSFET 的需求可达400个/辆以上。纯电动车功率半导体价值量为350美元,是传统燃油车单车价值量71美元的五倍。

新能源车中OBC、DC/DC 均可采用超级结MOSFET,2025 年全球EV SJ MOS 的市场规模有望成长至34.65亿元。OBC是由PFC和隔离DC-DC组成的AC-DC转换器,通过将来自地面交流充电桩的交流电进行交直流转换和高低压变换,给车载电池充电。此外,DC/DC主要作用是取代传统汽车中的12V发电机,将动力电池的高压电转换为低压电,随后被低压蓄电池收集,该过程同样需要超结MOSFET 的参与。根据Marketline 的预测,2025年全球新能源汽车销量2121.7万辆,其中OBC、DC/DC 分别搭载12颗/4颗超结MOSFET,结合17.6 元/颗的单价及渗透率,我们预计2025 年全球EV SJ MOS 的市场规模有望达到34.7亿元,21-25 年CAGR 为30.8%,其中22-24 年CAGR为37.8%;国内市场规模25年有望达到17.7 亿元,占全球市场需求超过50%,21-25 年CAGR 为28.2%,其中22-24年CAGR 为35.1%

       全球EV销量预测(左);全球EV 超结MOSFET市场规模预测(右):

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资料来源:Marketline

二、IGBT模块清洗

为应对能源危机和生态环境恶化等问题,世界各国均在大力发展新能源汽车、高压直流输电等新兴应用,促进了大功率电力电子变流装置的广泛应用。大功率变流装置的可靠性对这些应用而言十分重要。装置的可靠性与其核心器件IGBT密切相关。

目前,大量的IGBT仍在采用传统的正溴丙烷等溶剂清洗清洗,随着对环保的管控和对产品可靠性的要求不断提高,原有的传统溶剂清洗已不能满足IGBT清洗。对此,合明提出新型的IGBT清洗方案。

合明科技半水基清洗工艺解决方案,采用合明科技专利配方,可在清洗IGBT凹槽内存在大量的锡膏残留的同时去除金属界面高温氧化膜,更含有保护芯片独特的材料;配方材料亲水性强,清洗后易于用水漂洗干净。

欢迎使用合明科技半水基清洗剂清洗IGBT模块。

以上便是IGBT模块清洗剂厂,新能源汽车是功率器件增量需求主要来源介绍,希望可以帮到您!

 



【阅读提示】

以上为本公司一些经验的累积,因工艺问题内容广泛,没有面面俱到,只对常见问题作分析,随着电子产业的不断更新换代,新的工艺问题也不断出现,本公司自成立以来不断的追求产品的创新,做到与时俱进,熟悉各种生产复杂工艺,能为各种客户提供全方位的工艺、设备、材料的清洗解决方案支持。

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