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一、以電驅之長補電池之短，功率半導體位居關鍵環節
1、使用便捷性是汽車競爭力的根本
使用便捷性是絕大多數情況下用戶對汽車的接受底線和核心需求，可簡明體現為汽車在某工況/工況組合下 運行的行駛時間和充能時間，及對應的行駛路程。
行駛路程越長（對應續航能力）/行駛速度越快（對應動力性能），單次充能時間越短/充能時間佔總時間的 比例越小（對應充能能力），可認為整車的使用便捷性越高；在充能不便的條件下，單次充能的行駛路程越長， 整車的使用便捷性越高。
2、能流高效，功率半導體是電控核心
汽車的續航能力、動力性能和充能時間的決定性因素是其儲能（及配套動力）系統的本質理化屬性。這已 為長逾百年的汽車進化史所證實。
燃油汽車儲能及配套動力系統主要為油箱、發動機。新能源汽車儲能及動力系統（並含帶有高壓電的部件， 耐壓程度有 650V、900V、1200V 等不同等級）包括動力電池，驅動電機，高壓配電箱（PDU），電動壓縮機， DC/DC，OBC，PTC，高壓線束等，這些部件組成了整車的高壓系統，其中動力電池，驅動電機，控制系統為 純電動汽車上的三大核心部件。
動力電池相比於油箱，在鋰電替代鉛酸、三元替代鐵鋰、三元高鎳化多重技術趨勢逐級推動之下，其有效 儲能仍居於劣勢；
而長續航車型的工況續航大體可以和燃油車型相比，其主要原因是電機電控相比於燃油發動 機的效率優勢。當前，汽油發動機的最高熱效率已經突破 40%。如豐田 Dynamic Force Engine 2.0L 發動機，通過阿特金森 循環、高壓縮比和雙噴射等技術手段達到了最佳工況下的高燃效。
電動機和發動機相比，具有效率高（高效區間效率在 95%以上，且相對高效區間覆蓋範圍遠大於燃油發動 機，意味著電能-機械能轉化更有效）、高效區間大（意味著絕大多數工況下電能-機械能）轉化效率高等優點， 並可實現制動能量回收以進一步降低實際油耗。
另外，電動機起步扭矩高，最大功率高，NVH 出色。依託三電系統的新能源汽車駕駛體驗相比依託傳統動 力系統的燃油汽車具有相當優勢。
整車層面，純電動車型動力電池包相比於燃油車型發動機重 300-500kg，而電機電控比燃油車型所需的內燃 機、變速器、尾氣處理、水箱、風扇等輕約 200kg。故燃油、純電動汽車動力系統的重量、體積等參數基本可 比，電機電控的高效性能也是關鍵因素。
動力電池包內部由多個電池單體（鋰離子電池典型電壓 3.7V）串並聯對外輸出直流電，電機所需則為交流 電，需要開關、逆變、變頻、變壓等功能，且應滿足寬適用溫域、寬海拔範圍、長壽命、高功率密度、小體積、 高能效低損耗等應用條件，並儘可能控制成本。上述功能的實現主要依靠電控的核心組元功率半導體。充電器、 空調等也需要以功率半導體電力電子裝置。
二、電車需求結合材料本質，硅 IGBT/碳化硅 MOSFET 脫穎而出
1、半導體，基材提供能隙摻雜控制電導
半導體材料的電阻率覆蓋範圍很寬，在 10-4到 109Ω·cm 之間，且電阻率隨溫度的升高而降低。半導體的 物理特性由本徵能帶和雜質能級模型解釋：半導體基體材料（基材）是固體，在足夠低的溫度下，其導帶（對 應自由電子的能量範圍）全空，價帶（對應價電子的能量範圍）全滿，導帶底 Ec 和價帶頂 EV 二者之間的界限 為禁帶且對應禁帶寬度（能隙）Eg。禁帶的產生是因為半導體原子的所有價帶電子在足夠低的溫度下要求有完 整的共價鍵。溫度稍高時，半導體內部產生本徵載流子，禁帶寬度也會稍有變化。
對於半導體器件而言，其關鍵性質是在一定溫度區間內，電導率可以通過摻雜手段加以控制。對於電中性 的 IV 主族、III-V 主族半導體等而言，進行 V 主族元素摻雜，會增加電子作為多數載流子，形成施主能級，並 獲得 N 型半導體；進行 III 主族元素摻雜，會增加空穴作為多數載流子，形成受主能級，並獲得 P 型半導體。
2、硅是主流基材，三代半導體碳化硅性能出色
半導體功能的實現受到基體材料理化性質的限制。
首先，基體材料需要有一個較寬的能隙，以確保在沒有摻雜的情況下，本徵載流子濃度低於最輕摻雜區摻 雜濃度的溫度上限較高，且臨界擊穿場強較高；能隙也不應過寬，致使自建電勢和門檻電壓過高。
其次，基體材料在禁帶中的能級應儘可能少，使得阻斷電壓高、漏電流低。
再次，基體材料需要有足夠高的自由載流子遷移率（電子遷移率高於空穴，故以電子遷移率為準），使得相 應功率半導體器件的最大允許電流密度較高。
而且，基體材料需要有足夠高的載流子飽和漂移速度（同樣以電子遷移率為準），使得相應功率半導體器件 的最大允許頻率較高。
最後，穩定的化學性質、較高的熱導率等對高性能器件的實際應用也具有重要作用。
典型半導體材料包括以鍺為代表的第一代半導體材料，以硅為代表的第二代半導體材料，和以碳化硅、氮 化鎵為代表的第三代半導體材料（均為單晶材料）
其中，鍺因為能隙太小，允許的工作溫度上限僅為 70℃，不是主流的功率器件材料；硅綜合性能均衡、單 晶生產成本低、易製備二氧化硅絕緣層，是最廣泛應用的半導體、功率器件材料；碳化硅（晶體結構多樣，其 中 4H 晶型綜合性能最優越）禁帶寬，擊穿場強大，雖然電子遷移率稍低但可進行更重的摻雜，也可製備二氧 化硅絕緣層，且熱導率高便於散熱，故耐高壓大電流、有更低的導通和開關損耗，性能優越，成本高；氮化鎵 高頻特性好，但以碳化硅為襯底外延是主要生產方法，成本更高，且熱導是短板。綜合各種因素，硅和碳化硅 最適於作為新能源汽車功率半導體的基礎材料。
3、硅基 IGBT、碳化硅基 MOSFET 承擔新能源汽車功率半導體重任
常用的功率半導體器件包括功率二極管（Power Diode，含 pin 二極管/肖特基二極管） 、雙極型晶體管（BJT）、 晶閘管（SCR）、 門極可關斷晶閘管（GTO）、金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET）、絕緣柵雙極型晶體 管（IGBT）等。不同類型功率半導體器件的對電信號可控程度、驅動信號、有效信號波形、載流子參與導電情 況可能不同。
對使用同樣基材的半導體器件而言，其能達到的開關功率和開關頻率的乘積近似為常數。對硅而言，該常 數約為 109 VA/s：
Psw-hardfsw=Vmax-hardImax-hardfaw ≈ 109 VA/s
上述經驗公式指導下，不同器件的工作電流、工作電壓和開關頻率範圍有所不同。
MOSFET 的開關速度快、開關損耗低、工作頻率高、所需驅動功率小、驅動電路簡單，不存在二次擊穿問 題。但硅基 MOSFET 在高壓應用時，導通電阻隨耐壓的 2.5 次方急劇上升，故額定電流和額定電壓較小，只適用於不超過 10kW 的電力電子裝置（對應於汽車應用領域的 12V 或 48V 系統） ，而對大功率的純電驅動不適 用。
所以，對於仍然採用硅基材的純電動車型電控用功率半導體，有必要以較低的開關速度、較高的驅動功率 與開關損耗、較複雜的驅動電路和二次擊穿危險為代價，將柵極（即圖中門極）通過一層氧化膜（p+層）與發 射極實現電隔離，應用相當於 MOS 和 BJT 組合的，耐壓能力、電流密度及最大功率更高，高壓條件下導通電 阻更低的 IGBT 器件。
IGBT 的導通和關斷由柵-射極（即上圖中源極）電壓 UGE 控制。其工作原理是柵極電壓 UGE 為正向電壓且 大於開啟電壓時，IGBT 中的 MOSFET 部分形成溝道，提供基極電流，器件導通，IC和 UGE大部分保持線性； 而在柵極加零或負電壓時，溝道消失，基極電流為 0，IGBT 關斷。IGBT 導通電阻的降低是因為 PNPN 四層結 構帶來的 PN 結電導調製效應。靜態電氣特性方面最高柵-射極電壓受最大集電極電流限制，飽和區類似 MOS 結構特性有源區類似於晶體管特性，所以 IGBT 主要工作在飽和區（開）和正向阻斷區（關）；而動態電氣特性 方面，器件導通需要經歷柵極正向電壓-基極電流產生-集電極電流產生的過程，故有兩次延遲；器件關斷時因為 沒有反向基極電流抽取過量載流子，故只能通過集電極傳導，形成拖尾電流。綜上，IGBT 可以滿足逆變的基本 需求，但開關速度、開關損耗等存在一定劣勢。當前硅基 IGBT 系統的綜合效率（以逆變器效率計）約 92%， 相比於其峰值效率仍有一定差距。
對於試圖利用 MOSFET 器件諸多優勢的純電動車型電控用功率半導體，則需改變基礎材料，以相對昂貴 的碳化硅為基材，控制承壓層深度和摻雜濃度等技術參數，最終獲得更高的工作電壓及最大功率以及綜合效率。 當前碳化硅基 MOSFET 系統的綜合效率（以逆變器效率計）約 98%。可以說在應用層面碳化硅基 MOSFET 相 比於硅基 IGBT 具有本徵優勢。
綜上所述，硅基 IGBT 和碳化硅基 MOSFET 是多因素限制下新能源汽車功率半導體的適宜選擇；後者性能 更強，但成本也更高；整車動力電池包越大、電機最大功率/峰值扭矩越高，碳化硅基 MOSFET 的作用就越顯 著。
三、硅基 IGBT，新能源汽車功率半導體規模統治者
1、技術幾經迭代，生產工藝複雜穩定
IGBT（硅基，下同）發明於上世紀 80 年代的美國，後引入日本、歐洲市場。自發明以來，其技術經過了 數次迭代，芯片面積降低，飽和壓降降低，最大工作頻率提升，損耗降低。
IGBT 芯片的生產屬於典型的半導體工藝，需要晶體生長、摻雜、氧化和掩蔽、邊緣終端處理、鈍化等基本 過程。
高純單晶硅襯底採取區熔法生長後切得。
後續摻雜多使用離子注入方式；工藝次序為先正面再背面。除全程高潔淨度要求外，襯底背面工藝中的減 薄極易使硅片破碎、翹曲，加工工藝非常重要。
IGBT 芯片經多芯片並聯、襯板加裝、基板加裝、外殼加裝、硅膠固化密封等封裝工藝後，形成 IGBT 模塊。 鑑於車用 IGBT 的散熱效率要求比工業級要高得多，同時要考慮強振動條件，因此封裝要求遠高於工業級別。 定製化模塊封裝、雙面冷卻集成等手段是進一步提升 IGBT 模塊綜合性能的可行方向。
2、國際巨頭規模領先，自主企業日夜兼程
IGBT 市場是半導體市場、功率半導體市場的重要組成部分。2018 年，全球半導體市場規模達 4688 億美元， 其中功率半導體市場 717 億美元，2018 年 IGBT 市場約 58 億美元，其中汽車用 IGBT 佔比約為 1/4。
根據市場研究機構 Strategy Analytics 的數據，純電動汽車的半導體成本約達 704 美元，相對於傳統汽車的 350 美元增加了 1 倍，功率器件成本為 387 美元，佔比達到 55%。相比傳統汽車新增的半導體成本中，功率器 件成本約為 269 美元，佔總增加成本的 76%。特斯拉 model X 雙電機版使用了 132 個 IGBT 器件，總價值約 650 美元。我們估計，
根據整車電機數量、電機動力性的不同，新能源汽車硅基 IGBT 單車價值量在近 1000 元到約 5000 元不等，佔電控成本約一半。全球 IGBT 市場的主要供應商包括德國英飛凌，日本三菱、富士，美國安森美，瑞士 ABB 等，CR5 約 70%。 主要 IGBT 供應商多采取 IDM（國際整合元件製造商）模式，經營範圍涵蓋了 IC 設計、IC 製造、封裝測試等 各個環節；也多和上游晶圓廠之間建立了緊密的聯繫，上游 12 寸電子級晶圓供應形勢好。
我國 IGBT 對外依賴嚴重。根據智研諮詢統計，2018 年我國 IGBT 芯片需求量為 7989 萬個，而產量僅為 1115 萬個。
國內 IGBT 企業主要有華虹宏力、中芯國際、中科君芯、士蘭微、華潤微電子、上海先進、株洲中車時代 電氣、比亞迪等。總體而言國內企業仍處在構建產業鏈、提高良率、追趕國際先進技術水平的過程中，但也已 有重大技術及市場應用成果。
比亞迪是中國唯一一家擁有 IGBT 完整產業鏈的車企：包含 IGBT 芯片設計和製造、模組設計和製造、大功 率器件測試應用平臺、電源及電控等。其車規級 IGBT 4.0 產品已並批量化用於其“王朝”車型。2019 年底產能 預計將達 5 萬片/月，可以滿足其全部新能源車型每年的需求且有富餘產能。
和國際 IGBT 供應商建立合資公司也是保證產品供應的重要手段。如上汽集團和英飛凌成立上汽英飛凌汽 車功率半導體（上海）有限公司，上汽集團持股 51%。現已實現 10 萬套 IGBT 模塊下線。
我們估計，自主硅基 IGBT 在我國新能源汽車市場中的份額有望逐步提升；類似於合資生產動力電池，合 資生產硅基 IGBT 也將是未來產業整合的重要趨勢之一。
四、碳化硅基 MOSFET，新能源汽車功率半導體性能翹楚
1、基體材料困難度大，器件生產工藝複雜
碳化硅半導體產業鏈包含製取晶錠、切割鏡片、外延生長、獲取芯片、製造分立器件/模塊等過程。
單晶硅僅有一種晶體結構，而碳化硅已知的同素異形體數量逾 200 種。相對典型的碳化硅晶型是 3C、4H、 6H 等。
和單晶硅不同，碳化硅無法形成穩定的本徵熔體（而會直接昇華），故不可採用和單晶硅類似的本徵材料提 拉/區熔等方式製備；高溫熔體混合物可能製備碳化硅單晶，但雜質不易控制。
目前生長碳化硅單晶最成熟的方法是物理氣相輸運（PVT）法，其生長機理是：在超過 2000 ℃高溫下將 碳粉和硅粉昇華分解成為 Si 原子、Si2C 分子和 SiC2等氣相組分；在溫度梯度的驅動下，這些氣相物質被輸運到溫度較低的碳化硅籽晶上形成較厚的晶錠（上述過程俗稱拉單晶，但並非以提拉法制取材料）。
相比於提拉/區熔，PVT 法的物相控制難度更高，固/氣組分更多，溫度分佈均勻性更差，所以高質量碳化硅 晶錠的獲得面臨多種生長缺陷的威脅：多型，碳化硅多種晶型的吉布斯生成自由能相近，故易造成多型共生； 微管，溫度梯度、雜質粒子、籽晶和背底缺陷等易引發貫穿晶錠/部分晶錠的管道；工藝控制不當容易形成位錯； 原料中的雜質粒子可能嵌入晶錠；真空室中殘留的氮氣為晶錠的電阻率控制帶來不確定性，可能需按要求加以 摻雜調控補償；如晶錠形狀偏離圓柱狀較多，則後續工藝的損耗也較多。總之，在基體單晶材料製備方面，碳 化硅面臨的問題遠多於硅。加之晶錠直徑較硅更小，8 英寸技術尚未成熟，碳化硅的成本高於硅。
碳化硅晶錠到晶片製造需要經過滾圓、切片、研磨、拋光等多個工藝步驟。高質量的晶片也是後續芯片高 良率的基礎。
碳化硅基 MOSFET 芯片的製造需要在導電 4H-碳化硅襯底上外延生長 n 型漂移層，以高劑量離子注入形成 高摻雜 n+源區、P 阱、MOS 溝道、歐姆接觸區和保護層等。
碳化硅基 MOSFET 芯片經封裝工藝形成相應功率器件/模塊。以特斯拉 Model 3 搭載的意法半導體碳化硅基 MOSFET 器件為例：芯片焙銀連接至氮化硅基板；芯片門極採用標準鋁線鍵合技術進行電氣互聯；採用鉛焊料迴流焊工藝連接引線框架；塑封電鍍等完成最終封裝。
2、產業成長期規模待爆發，Model 3 樹立應用標杆
如前所述，碳化硅功率半導體產業尚處於成長期，單晶襯底（當前國際成熟技術水平是 4 英寸、6 英寸商 用，8 英寸初步商用；國內是 4 英寸商用，6 英寸初步商用）是主要限制因素。據中國寬禁帶功率半導體及應用 產業聯盟統計，2017 年，全球導通型 4 英寸碳化硅襯底銷量約 10 萬片，6 英寸約 1.5 萬片；2020 年 4 英寸市場 空間預計仍為 10 萬片，但 6 英寸會增長至 8 萬片；此後 6 英寸總量、份額都將逐步提升（未考慮 8 英寸技術進 展）
根據 Yole 報告估計，2018 年全球 EV/HEV 用碳化硅基功率器件市場規模約 1.7 億美元。從特斯拉 Model 3 車型 2018 年銷量反推，碳化硅基 MOSFET 單車價值量約 1300 美元。考慮到能效提升對同等工況續航條件下動 力電池用量的節約作用，我們估計使用碳化硅基 MOSFET 比硅基 IGBT 實際的總成本提升在 100-150 美元。對於定位在 10 萬元級別以及以下的車型而言，使用碳化硅基 MOSFET 仍有一定成本壓力，對於定位在 30 萬元乃 至更高的車型而言，鑑於消費者對工況續航、整車動力性的要求較高，所以動力電池搭載量較大，電機最大功 率/峰值扭矩較高，碳化硅基 MOSFET 對整車極限性能的提升有相當程度的幫助。
國際碳化硅功率半導體相關廠商主要包括單晶襯底企業 Cree、DowCorning、SiCrystal、II-VI、羅姆、新日 鐵住金、Norstel 等；外延片企業 DowCorning、II-VI、Norstel、Cree、羅姆、三菱、英飛凌等；器件/模塊企業 Cree、英飛凌、羅姆、意法半導體、安森美、電裝、富士、三菱等。總體而言，Cree 是全球碳化硅相關技術的 龍頭企業。
國內碳化硅功率半導體相關廠商主要包括單晶襯底企業山東天嶽、天科合達、同光晶體、中電科等；外延 片企業天域半導體、瀚天天成等；器件/模塊企業中車時代電氣、世紀金光、泰科天潤、揚傑電子；設備企業北 方華創、沈科儀等。
碳化硅在新能源汽車方面的應用引發業界關注並有實質性動作。如 Cree 積極擴大其 SiC 襯底產能並將業務 重心從 LED 向功率器件轉移，成為大眾 FAST（未來汽車供應鏈）項目合作伙伴，和安森美簽署多年期協議為 其供應 6 英寸襯底及外延片，擴大和意法半導體的長期訂單；意法半導體收購 Norstel 部分股權；豐田和電裝、 富士、三菱合作開發碳化硅 MOSFET；博世擬用其位於羅伊特林根的半導體制造廠生產碳化硅晶片；華為戰略 投資山東天嶽獲 10%股權，北方華創向天嶽批量供應 6 英寸單晶爐，產品缺陷控制情況較好；比亞迪也在進行 碳化硅基功率半導體相關技術研發。
我們認為，碳化硅基 MOSFET 在新能源汽車上的應用格局還遠未確定。自主和國際先進水平雖有差距， 但突圍提供部分國產滲透率仍有相當可能。
截至目前，特斯拉 Model 3 是碳化硅基 MOSFET 在新能源汽車上面應用的成功案例。Model 3 的電控共搭 載了 24 個 650V、100A 碳化硅基 MOSFET 功率模塊，每個模塊為 2 芯片並聯。
特斯拉在設計電控過程中，充分考慮了迴路電感對開關速度、開關損耗、電氣可靠性和功率密度的影響。 以碳化硅基 MOSFET 為核心的高效電控是整車低電耗的有力保障之一。
五、新能源汽車規模增長品質提升，功率半導體如箭在弦
1、銷量回調結構優化，產業發展無需悲觀
補貼政策是我國新能源汽車產業發展的關鍵直接推動力。2019 年，我國新能源汽車補貼全面大幅退坡。
市場銷量暫時遇冷，但純電乘用車車型結構向好趨勢不變。2019 年以來純電動 A 級車銷量佔比在純電動內部持續高於 50%，銷量佔比遠高於 2018 年全年的約 1/3 和下半年的約 37%。
2019 年以來，累計銷量超過 15000 輛的新能源汽車包括北汽 EU 系列、EC 系列，比亞迪元 EV、E5，上汽 榮威 Ei5、寶駿 E100，廣汽 Aion S，吉利帝豪系列，長安逸動系列，江淮 iEV 系列，長城歐拉 R1，奇瑞 EQ 系 列等。車型結構顯著向好；當前我國質量較高的新能源汽車產品數量明顯增加，和特斯拉 Model 3 相比也有亮 點。
2019 年 1-9 月，全球範圍內銷量超過 2 萬輛的純電動乘用車中，車型亮點突出，以品質或性價比，而非單 純廉價取勝的車型也佔據絕大多數。
可以認為，補貼退坡、有效需求增速降低是行業暫時面臨的“數量困境”；但產品供給持續優化、中端車型 需求堅挺則是行業長期發展前景可以保持樂觀態度的強理由。
2、雙積分助力規模增長電耗降低，功率半導體長期受益
補貼退坡後，我國新能源汽車長期扶持的方法是“雙積分”政策，以新能源汽車取得新能源積分（NEV 積 分），需滿足最低標準，可彌補燃油負分（CAFC 積分），可攤薄油耗。現行“雙積分”政策實行至 2020 年底， 2021-2023 年“雙積分”政策（《乘用車企業平均燃料消耗量與新能源汽車積分並行管理辦法》修正案）已開始 徵求意見。
“雙積分”修正案如和最終版本一致，則起到促進企業產品技術升級的作用，以節能降耗為代表的燃油、 新能源車型技術進步是大勢所趨。基於節油降耗的基本考慮，燃油車型優化各類機內技術，採用阿特金森發動 機，降低風阻滾阻，以各類混合動力技術優化工況油耗等的重要性增加；基於提升 EC 係數的基本考慮，純電動車型優化三電系統效率，降低風阻滾阻，優化傳動系效率的重要性增加；插混乘用車則需兼顧兩者，動力構 型的選擇和技術優化重要性均有所提升。
我們估計，自主品牌整車電耗至 2025 年有望在目前基礎上再降低 10%以上；電控中功率半導體在系統乃 至整車層面的重要作用有望保持甚至強化。
3、放眼長遠，硅基 IGBT 仍是主流碳化硅基 MOSFET 中高端發力
我們估計，至 2025 年，我國新能源汽車用功率器件市場規模在 100 億元以上。其中硅基 IGBT 逾 70 億元， 碳化硅基 MOSFET 近 40 億元。
功率半導體產業是我國新能源汽車產業中自主可控程度相對較低的環節。我們認為，隨著我國新能源汽車 產業的發展，銷量提高、銷量結構向好，新能源汽車用功率半導體的對外依賴度也將逐步降低。新能源汽車有 望實現產業鏈全環節自主可控、全環節在競爭性市場中立足。
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