一辆车到底要用到多少个 MOSFET ?

来源:电子工程世界发布时间:2022-09-271574浏览

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）功能，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）中。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。