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一辆车到底要用到多少个 MOSFET ?

最新更新时间:2022-09-27
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金属-氧化物半导体场效应晶体管,简称金氧半场效晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET)是一种可以广泛使用在模拟电路与数字电路的场效晶体管(field-effect transistor)。


MOSFET最早出现在大概上世纪60年代,首先出现在模拟电路的应用。功率MOSFET在上世纪80年代开始兴起,在如今电力电子功率器件中,无疑成为了最重要的主角器件。


MOSFET具备控制功率小、开关速度快的特点,广泛应用于低中高压的电路中,是功率半导体的基础器件。

硅基MOSFET是汽车功率半导体的基石,单车用量有望增至4倍。在进入新能源汽车时代前,MOSFET已应用于燃油车中涉及电动功能的区域,单车用量约100个。随汽车电动化开启,以电制动的方式使得中高压MOEFET作为DC-DC、OBC等电源重要组成部分应用于汽车动力域以完成电能的转换与传输,单车用量提升至200个以上;此外,随着汽车智能化发展,ADAS、安全、信息娱乐等功能需MOSFET作为电能转换的基础器件支撑数字、模拟等芯片完成功能实现,使得中高端车型单车用量可增至400个以上。

汽车智能化是中低压MOSFET器件的增量空间,汽车电动化是超结MOSFET等中高压器件的发力方向。20-26年全球MOSFET市场将从74亿美金增至89亿美金,汽车应用占比从25%增加至30%。在新能源汽车的拉动下,全球汽车功率器件市场将从48亿美元增至108亿美元,车用MOSFET将从18.3亿美元增至26.7亿美元。其中,ADAS与非燃油汽车动力总成应用的增速最快。

行业动态


8月新能源汽车销量保持强劲,环比增长超12%。根据中汽协数据,我国8月新能源汽车保持强劲,单月销量66.6万辆 。其中,比亚迪销量17.4万辆保持领先,造车新势力方面埃安销售2.7万辆,小鹏1.6万辆,哪吒1.6万辆,理想0.5万辆,蔚来1.1万辆,零跑1.3万辆AITO1.0万辆,极氪0.7万辆


8月新能源乘用车市场创历史新高,B级车销量走强。据乘联会统计,8月纯电动批发销量49.0万辆,其中B级电动车销量增速最快13.7万辆,占纯电动份额为28%。纯电动A00批发销量12.4万辆,环比下降5%,占纯电动份额为25%;A0级批发销量9.3万辆,占纯电动份额为19%。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;以奇瑞集团与广汽集团为代表的传统车企表现突出。 

7月新能源乘用车电机电控搭载量为47.9万台,OBC 装机量共 43.6万套。在电控系统方面,三合一电驱动系统搭载量为28.8万台, 占比达60.1% ,其中中车时代电气电控搭载量1.74万套,系统搭载量1.71万套,成为增速最快的厂商之一。OBC市场整体保持增长态势,前五位格局基本保持不变。


7月我国新能源上险乘用车功率模块国产供应商斯达半导、比亚迪半导体、中车时代电气合计占比超50%。据NE时代统计,22年7月我国新能源上险乘用车功率 模块搭载量约42.4万套,其中比亚迪半导体搭载约9.9万套(占23%),斯达半导约7.0万套(占17%)时代电气约5.5 万套(占13%),预计国产化率将随各家产能释放环比提升。


智能化与电动化双轮驱动

汽车MOSFET大有可为


硅基MOSFET:汽车功率半导体的基石 

在传统燃油汽车中,中低压MOSFET(金属-氧化物半导体场效应晶体管, Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)已广泛应用于车中电动功能的区域,是传统汽车功率器件的主要部分,单车用量约100个。随汽车电动化开启,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;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,中高压MOEFET 开始广泛应用于汽车的DC-DC、OBC等中压电动部分以协助完成电能的转换与传输,单车平均用量提升至200个以上;此外,随着汽车智能化发展,ADAS、安全、信息娱乐等功能均需使用 MOSFET,根据数据显示,未来中高端车型中 MOSFET 单车用量将有望增至400个。

MOSFET可通过控制电压实现电路的“导通”或“关断”,最终对电流与电压实现调 控,是一个快速的“电子开关”。以平面型MOSFET为例,通过控制漏极和源极、栅极与源极之间的电压,可使得电子在器件中形成“沟道”,实现器件的导通;通过调节电压的大小可以控制导通电流大小。最终,通过“开”与“关”的切换,配合其他元器件,实现直流电与交流电、电流频率、电压高低等状态的切换。因此,降低器件电流传输过程中的损耗(如导通电阻)以提升电能的转换效率是MOSFET器件技术演进的主要驱动力。



由于下游应用对耐受电压、开关频率、导通电阻等器件性能要求不同,MOSFET器件发展出了平面型、沟槽型及超级结等不同结构。平面型 MOSFET 结构由于芯片面积大(耐压高)且工艺简单,可应用于对中小电流的场景;而沟槽型 MOSFET 相比平面型MOSFET缩短了电流的导通路径(消除了 J-FET 电阻),在低压高电流的场景中被广泛应用;在此基础上,为进一步提升沟槽栅结构耐压能力与导通性能,将电场强度均匀化且用低阻N层设计的超级结MOSFET(SJ-MOS)出现,并广泛应用于中高压大电流的电源场景中。



MOSFET为汽车电能传输的主要器件 

MOSFET被广泛应用于汽车中涉及(有刷、无刷)直流电机、电源等零部件中,随着汽车智能化、电动化应用场景不断丰富: 

智能化应用:
ADAS:安全管理、域控制系统、泊车系统;
车身电子:车身电源、中控系统、温度控制、网关系统、智能门锁、照明系统;
底盘与安全:悬挂系统、电子辅助转向系统、安全气囊、驻车及防抱死制动系统;
信息娱乐系统:显示控制、音频、仪表盘、娱乐功能、远程信息处理。

电动化应用(传统汽车与新能源汽车不同) 
传统燃油汽车:发动机与变速箱管理、内燃机辅助系统、启停系统;
新能源汽车:DC-DC电源、车载充电器。


MOSFET在传统汽车中已广泛使用,单车使用量近100个。在传统汽车中,从关键 的电控动力转向系统(EPS)、电动制动和喷射系统到加热、通风系统、座椅调节都需要用到MOSFET。以EPS为例,系统需要8个40V MOSFET,6 个配合电机完成转向功能,2个配合电源管理芯片(PMIC)实现电路安全断开功能。


汽车智能化是未来中低压MOSFET器件的拓展方向。随着汽车智能化发展,ADAS、安全、信息娱乐等功能需MOSFET作为电能转换基础器件支撑数字、模拟等芯片完成功能实现。以EPS系统为例,随着对安全性要求的提升,系统要求增加失效可操作(Fail-Operational)能,即增加一套冗余系统作为备用,在发生罕见故障时EPS仍可保持工作;相应地,MOSFET用量由8个增加至22个。



超结MOSFET是汽车电动化后的动力总成部分的新增器件类型,主要应用于DC-DC电源与车载充电器(OBC)。在动力总成部分,汽车电动化后以电制动的方式使得动力相关的电源如 DC-DC、车载充电器以及逆变器等功率提升,需要适用于中高压大电流的超结MOSFET、IGBT、SiC MOSFET器件及模块完成电能的高效转换。以华润微提供的汽车MOSFET应用参考为例,在新能源汽车车载充电器部分需增加 16 个超结MOSFET。


新能源汽车OBC、HV-LV DC-DC中650V以上超结MOSFET被大量选用。在新能源汽车中车载充电器OBC主要利用交流电网提供的电能为高压动力蓄电池充电、HV LV DC-DC电源转化器则是将汽车的高压区和低压区连接在一起。根据汽车动力等级与电池大小不同,OBC\DC-DC电源的器件对应电压大致分为650V、1200V。


超结MOSFET是目前主流中低压OBC、DC-DC电源方案考虑性能、成本与效率的最佳选择。超级结MOSFET在导电性、开关和驱动损耗性能优秀且可满足汽车大部分中压(600-650V)的电源产品要求;由于工艺成熟且产品组合最多,是最具性价比的选择。因此,在主流中低功率(6.6KW\11KW)的OBC、HV LV DC-DC转换器(500V以下汽车高压电池)中,MOSFET被大量选用。


MOSFET主驱动方案广泛应用于30KW以下的 A00 级车中。主驱动功率在20-30kW范围的纯电动A00级车其电机控制器对功率器件要求与车载充电器相近,MOSFET作为低成本方案被选用。目前MOSFET主驱动方案在我国新能源乘用车市场渗透率近15%,代表品牌为北汽制造、昌河、奇瑞、五菱、小虎、凌宝、新特、海马、 知豆、雷丁、东风风光、荣威、领途、东风风神、众泰、朋克、宝骏、思皓等。 


汽车智能化与电动化驱动MOSFET市场增长 

全球MOSFET器件市场26年将增至89亿美元,其中汽车应用占30%;全球汽车功率器件市场将增至108亿美元,MOSFET占比约25%。结合Omdia与Yole数据,我们预计2020-2026年全球MOSFET市场将从74亿美元增至89 亿美元,受益于汽车智能化、电动化,汽车应用占比从25%增加至30%。2020-2026年全球汽车(含燃油车)功率器件市场将从48亿美元增至108亿美元,其中汽车MOSFET单管及模块市场将从18.3亿美金增至26.7亿美元,IGBT、SiC等器件主要应用于新能源汽车,相对增速较快。


汽车平均MOSFET用量将增加至135个以上,ADAS与非燃油汽车动力总成市场增速最快。受益于汽车智能化,20-26年MOSFET非动力应用市场将从8.3增至11.1亿美元,其中ADAS在安全管理、域控制系统、 泊车系统智能化升级的拉动下将从0.3增加至0.9亿美元;受益于汽车电动化, 包含轻混动的非燃油车动力总成市场将从1.5增至6亿美元。



来源:国信证券等内容综合


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