海豚投研
2022.01.06 18:00

搭新能源快车,IGBT 成汽车半导体硬核赛道?

特斯拉、蔚小理在生活周边越来越多地出现,新能源车的快速渗透直接带来了宁德时代等电池行业的崛起。而本轮新能源车的发展,带来的不仅是动力方式的转变,还有自动驾驶、智能座舱等智能化的趋势。电动化用电力资源取代了石油资源成了汽车动力的新血液,而智能化更是赋予了汽车更多感知(传感器)、决策(主控芯片)等的拟人化感官特征。

摄像头、大屏幕、主控芯片、存储芯片都是计算机的重要组成部分,而这些部件也同样在新能源车中越来越多地出现,新能源车越来越像是一台 “带轮子的计算机”。那么,在新能源汽车中增加了哪些半导体呢?

汽车电动化由于动力来源从石油资源转换成电力资源,原本的核心部件内燃机也由三电系统取代。其中 IGBT 等功率半导体是新能源车三电系统的重要组成部分;

汽车智能化通过对汽车的智能化提升,赋予汽车拟人化的感官特征,从而实现自动驾驶、智能座舱等功能。传感器用于感知、存储用于记忆、计算控制芯片用于运算控制等,智能化全面提升了新能源车对半导体的需求。

来源:长桥海豚投研

汽车电动化和智能化的双重推进下,直接提升了汽车半导体的市场空间,而在这么多汽车半导体赛道中,哪个是相对优选的赛道呢?

长桥海豚君本篇从市场空间和赛道增速角度比较各赛道的情况:

1)市场空间:2025 年 IGBT/车用 SoC 芯片/存储芯片/MCU>雷达模块>摄像头模块>激光雷达;

2)市场复合增速:未来五年 IGBT 具有 40% 以上的复合增速,大幅领先其他领域。摄像头模块/存储芯片/车用 SoC 芯片/雷达模块增长幅度都处于 15-20% 区间,MCU 在集成化的转变中增速受到抑制,激光雷达随着 L3 级自动驾驶有望起量。

来源:长桥海豚投研

本篇主要对汽车半导体各主要赛道的市场空间和赛道增速进行梳理,从中看出车用 IGBT 在汽车半导体中具有空间大,成长快的特点,同时也是电动化趋势上必然成长的一环。长桥海豚君下篇将测算整个 IGBT 全行业的需求空间和个股研究。

一、汽车电动化下的半导体赋能:动力控制之核 IGBT

如果把电比作是血液,那么电机/电控就好比是电动汽车的心脏。而功率半导体是其中电能转换和控制的核心,主要用于改变电压和频率。

电动汽车直接带来了汽车核心三大件的变化,由“电池、电机和电控”构成的新三大件替代了原来燃油车的“油箱、发动机和变速箱”。而电控作为电动汽车 “三大件” 之一,直接决定了电动汽车的爬坡、加速、最高速度等主要性能指标。

来源:长桥海豚投研

电控系统主要由逆变器、驱动器、电源模块、控制器等零部件组成,其中,逆变器、驱动器与控制器为电控系统的核心部件

电控系统的三种核心部件工作原理:

逆变器(主要部件 IGBT 功率模块)主要起到直流电转交流电的功能。在实际工作中,逆变器接收电池输送的直流电电能,并将其逆变为三相交流电给汽车驱动电机提供电源;

驱动器将微控制器对电机的控制信号转换为驱动功率逆变器的驱动信号,并实现功率信号和控制信号的隔离。在实际工作中,当出现加速或制动行为指令时,控制器通过控制驱动器,实现变频器频率的升降;

控制器:主要包括微处理器及其系统,是对电机电流、电压等状态的监测电路、保护电路及控制器等外部控制单元数据交互的通信电路。在实际工作中,主要以接受监测信号反馈并发出控制信号。

来源:电子工程世界,长桥海豚投研

IGBT 功率模块作为逆变器的核心组件,同时也是电控系统的重要组成部分,一般占整个电控系统成本的 40% 左右。由于 IGBT 在电控中起关键作用,随着电动汽车的普及,直接带动了 IGBT 在新能源汽车市场的放量。

来源:盖世汽车,长桥海豚投研

那么,新能源汽车的发展给 IGBT 带来多大的市场空间呢?

汽车电动化带来的 IGBT 市场空间测算:

1)价:IGBT 的单车价值量:

由于各级车型对功率要求不同,各车型的 IGBT 单车价值量也各有不同。一般 A00 级车的单车价值量相对较低,约 800-1000 元,A 级电动车和插混单车价值量比较接近,约 3000 元左右;而豪华电动车单车价值量大多在 4000 元以上。

模型中假设 A00 级及其他车型单车价值量 900 元,A 级以上及插混车型价值量 3000 元

来源:长桥海豚投研整理

2)量:各种车型的销量情况:

新能源车销量:假设全球新能源汽车渗透 2025 年达到 22%,预测至 2025 年全球新能源车销量有望增长至 1866 万辆

车型的销量:假设 A00 级占比从 20% 下降至 2025 年的 10%,预测至 2025 年 A00 级销量达到 187 万辆,而 A 级及以上车型销量达到 1680 万辆

3)测算新能源车带来的 IGBT 空间:

长桥海豚君预测 2025 年 IGBT 市场空间有望成长至 521 亿元,5 年间的复合增速达 45.11%。

来源:乘联会,长桥海豚投研整理

二、汽车智能化下的半导体赋能:“感知 - 决策 - 控制执行”

汽车电动化对 “轮子” 进行了重构,而汽车智能化更加凸显了 “计算机” 的特征。通过 “感知 - 决策 - 控制执行” 的路径,赋予汽车智能化的表现特征。通过多种传感器对周围环境进行数据采集,而后再通过电子控制器进行决策操作。

来源:长桥海豚投研

2.1 计算控制芯片 - “决策大脑”

计算控制芯片是整个汽车智能化的决策大脑,就像是计算机里的主控芯片 CPU。自动驾驶的深入及摄像头等传感器的增多,汽车将处理越来越多的数据,那么对计算控制芯片的算力要求也更高

计算控制芯片的发展同样也随着汽车电子电气化(E/E)架构的演变而变化。根据博世对电子电气架构的未来趋势来看,E/E 架构正度过模块化阶段,向集成化转变而同样的计算控制芯片也将从分散式的 MCU 主导转向集成式的 SoC 芯片方向。

分布式 E/E 架构MCU 为主。专用传感器及专用 ECU,算法、算力不协同;

域集中式 E/E 架构CPU+MCU。将分散的 ECU 集中到域控制器中,更容易 OTA 升级;

整车集中式 E/E 架构及车云计算GPU+CPU+MCU+NPU。中央计算平台作为最高决策,其余区控制器充当网关角色。

来源:德勤,博世,长桥海豚投研

目前汽车的计算控制芯片市场仍以微处理器(MCU)为主,其主要作用在雨刷、车窗、座椅、车身控制、动力控制等多个分布式节点方面。而微处理器(MCU)其实是个小型的 “主控芯片”,主要部件中有包括 CPU、存储器等,主要适用于较小型的场景中,通过对传感器信号的处理以实现执行控制的功能

来源:比亚迪半导体,长桥海豚投研

随着汽车自动驾驶等智能化的发展,E/E 架构从分布式迈向集中式。目前特斯拉已经率先使用集中式 E/E 结构,而其他主流厂商主要使用域集中式。在迈向集中式 E/E 结构时,原本的 MCU 已经不能满足中央控制需求,此时中央计算平台需要功能更强大的主控 SoC 芯片(相比于 MCU 集合了更多的芯片模块)。

而在智能化阶段中,主控 SoC 芯片有望成为计算控制芯片市场的主要增长来源。根据 IHS 及搜狐汽车研究院的预测,整个计算决策芯片市场到 2025 年有望成长至 160 亿美元以上,复合增速约 10% 左右,而其中车用 SoC 芯片市场到 2025 年将成长至 80 亿美元以上,复合增速将达 15% 左右

来源:IHS,搜狐汽车研究院,长桥海豚投研

2.2 传感器 - “感知之眼”

传感器给汽车提供了 “感知之眼”,主要多方面对周围环境进行数据采集,给计算控制芯片提供决策依据。汽车智能化的过程中,主要增加了摄像头传感器、超声波传感器、毫米波传感器和激光雷达等智能传感器,这些传感器也构成了自动驾驶的核心。

来源:普华永道,长桥海豚投研

超声波雷达主要用在泊车辅助预警以及汽车盲区碰撞预警功能。超声波雷达成本低,短距离测量中具有优势,探测范围在 10 米以内,而且精度较高,在泊车方面具有明显优势;

摄像头和毫米波雷达是 ADAS 系统中重要传感器。摄像头用以提供视觉,而毫米波雷达用以测距,在 L1/L2 自动驾驶中发挥重要作用;

激光雷达是 L3-L5 阶段中最为关键的传感器,主要是由于其具有高精度、实时 3D 环境建模的特点。而激光雷达在之前主要用在航空航天、测绘等领域。

来源:长桥海豚投研整理

随着自动驾驶级别的提升,汽车对智能传感器的需求呈现明显增长。在 L3 级别以下的场景下,智能传感器的增加主要在摄像头模块和雷达模块方面。而在 L3 阶段以后的场景中,对 3D 环境建模等的需求,需要激光雷达模块的加入,进一步带来单车价值量的提升。根据英飞凌的报告,L2 级别的自动驾驶智能传感器的价值量在 160 美元左右,而当达到 L4/L5 级别时单车价值量将提升至 915 美元,单车价值量提升 5 倍以上。

来源:英飞凌,长桥海豚投研整理

对智能传感器的市场空间测算:

智能传感器的市场空间=摄像头模块 + 雷达模块 + 激光雷达模块 + 传感器融合

各部分市场空间的测算主要利用量价关系,比如“摄像头模块的市场空间=Σ(摄像头模块单车价值量 * 对应车型的出货量)”

1)价格方面:参考上图中 “各自动驾驶级别车型的传感器单车价值量”;

2)出货量方面:结合 IHS 和 IDC 对自动驾驶汽车渗透率的预测情况,非智能车占比逐渐减小, L2 级别车辆将逐渐成为市场主流,预测在 2025 年 L0-L5 级别的全球汽车渗透率分别为 31.4%/23.5%/35.1%/8.5%/1.5%。

来源:IDC,IHS,乘联会,长桥海豚投研整理

3)长桥海豚君测算各部分市场空间,至 2025 年摄像头模块/雷达模块/激光雷达模块/传感器融合市场空间分别为 35.4/62.7/6.7/33.8 亿美元,其中摄像头模块/雷达模块和传感器融合的市场有望维持 15% 以上的复合增速,同时激光雷达模块将随着自动驾驶的升级开辟新的市场空间。在汽车智能化下,整个传感器市场空间有望从目前的 50 亿美元左右,成长至 2025 年的 138 亿美元,复合增速达到 19.2%。

来源:长桥海豚投研

2.3 存储芯片 - “数据之库”

汽车智能化下,更多的传感器和海量的数据,对存储芯片有了更高的要求。就像在智能手机的发展中,曾经 “512M+8G” 的 iPhone 4 已经不能满足现在的需求,而发展至当下 “8G+256G” 等带有更高存储的 mate 40 们。

自动驾驶技术的发展,需要对更多的数据进行存储和处理,从而要求存储芯片有更大的容量和更快读取速度,主要对存储芯片的带宽和容量有了更高的要求。

1)存储芯片带宽方面:在 L1/L2 阶段,LPDDR4 类型存储基本能应对场景,而当进入 L4 及以上场景时,带宽要求需要提升至总线宽度 128 位以上的 GDDR6;

2)存储芯片容量方面:在 L1/L2 阶段,e.MMC 类型存储基本能应对场景,而当进入 L4 场景时也将难以适用,更需要能连续读取 1600MB/s 以上的 UFS 3.0 和 PCle。

更高级别的自动驾驶带有更多的传感器,多种传感器产生的海量数据对应更高的存储要求。特别是在 L3 自动驾驶之后,更需要大容量和快速读取的能力,以满足高精度地图、数据、算法等需求。

来源:美光,长桥海豚投研

根据 IHS 的预期,随着自动驾驶的深入,车用存储有望迎来翻倍的增长。2020 年车用存储市场约为 39 亿美元,到 2025 年整个市场空间有望成长至 80 亿美元左右,年复合增长率约为 16%。

来源:IHS,长桥海豚投研

三、总结

通过对汽车半导体各赛道的测算,车用 IGBT 具有空间大、增速快和确定性高的显著特性。车用 IGBT 赛道具有 40% 以上的复合增速,在各赛道比较中尤其突出。长桥海豚君下篇将测算整个 IGBT 赛道空间和个股研究。

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