必看！智能电动汽车对MCU、功率器件的新要求
- 来源：半导体器件应用网 susan
- 2022/11/17 9:21:15
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前言：
近年来，随着前沿科技不断向汽车领域涌入，企业不断往纯电动趋势发展，在汽车不断往智能化、电动化和网联化的过程中智能电动汽车应运而生。据亿欧智库测算，2021年中国智能电动汽车销量约为133.3万辆，2022年1-9月累计销量达247.6万辆，预计2022年将超400万辆，2025年将达到838.2万辆，在新能源汽车销量中的渗透率达到61.7%。随着智能电动汽车在新能源汽车中的渗透率逐渐提高，智能电动汽车将成汽车产品竞争主战场。那么智能电动汽车对MCU、功率器件有着什么样的要求呢？未来市场空间是怎么样的呢？
智能电动汽车对MCU、功率器件的要求和挑战：一山还比一山高
亿欧汽车将智能电动汽车(SEV)定义为搭载动力电池，能以电能为驱动动力，拥有OTA升级能力，并配备人车交互智能座舱或L2级及以上智能驾驶功能的车辆。智能电动汽车智能驾驶、智能座舱对MCU、功率器件提出了更高的要求。
车规级认证的“大山”
MCU、功率器件要应用到汽车上首先是必须要符合车规级标准和规范,相对于消费型和工业型的芯片，汽车半导体在环境、可靠性、供应周期等方面有更高的要求。
众所周知，车规级MCU企业在进入整车厂的供应链体系前，一般需符合三大车规标准和规范：在设计阶段要遵循的功能安全标准ISO26262，在流片和封装阶段要遵循的AEC-Q001~004以及IATF16949，以及在认证测试阶段要遵循的AEC-Q100/Q104。ACE-Q认证测试方法主要有加速环境应力测试、加速寿命模拟测试、封装组合整装测试、芯片晶圆可靠度测试、电气特性确认测试、瑕疵筛选监控测试、封装凹陷整合测试。
同样，车规IGBT和sic功率器件也是如此。汽车IGBT模块测试标准主要参照AEC-Q101和AQG-324，同时车企会根据自己的汽车类型特点提出相应的要求，主要测试方法有参数测试、ESD测试、绝缘耐压、机械振动、机械冲击、高温老化、低温老化、温度循环、温度冲击等。 一般来说，车规级IGBT需要2年左右的车型导入周期。 与 IGBT 类似，SiC 同样具有高电压额定值、高电流额定值以及低导通和开关损耗等特点，因此非常适合应用在智能汽车中，sic器件的渗透率也在提高。车规sic功率器件也需要经过AECQ-101车规的可靠性认证。
另外，万国半导体元件(深圳)有限公司市场经理何黎认为:“新能源汽车对于SiC器件的要求，除了满足最基本的AECQ-101车规的可靠性认证和客户设计的效率以及相关的余量要求外，优化栅氧化层设计保证器件栅氧化层可靠性也至关重要。”
智能电动汽车MCU需跨越高性能“大山”
跨越了车规级MCU标准认证这座“大山”之后，智能电动汽车MCU还需要做到更高性能。智能电动汽车相比于传统的燃油汽车，智能汽车在智能驾驶、智能座舱等功能越来越复杂，这就意味着对MCU的性能有着更高的要求。传统燃油汽车靠汽油发动机提供动力，电动汽车则需要靠电机来进行驱动，高效能电机驱动系统搭载高性能驱动器，而MCU是驱动器的控制核心，所以电动驱动对于 MCU 性能要求也更严格。当下，大部分车规级MCU芯片的CPU主频为100MHz，CPU主频达到200MHz、300MHz的MCU芯片就已经可以被业内认定为高性能MCU芯片。
值得一提的是，芯驰科技在4月份发布了芯驰E3系列MCU芯片。这款芯片在车规可靠性标准AEC-Q100达到Grade 1级别，而在功能安全等级则达到ASIL-D级别，CPU主频高达800MHz，具有高达6个CPU内核，是现有量产车规MCU中性能最高的产品，填补国内高端高安全级别车规MCU市场的空白。
智能电动汽车MCU需跨越高算力“大山”
另外，智能驾驶对于MCU算力也有要求。随着智能驾驶逐渐部署到车上之后，L2级别的自动驾驶，计算能力大致需要10 TOPS计算能力，L3级别自动驾驶汽车需要100 TOPS以上的算力，到L3+级别自动驾驶汽车的算力级别已经上升到1000 TOPS以上。整个汽车的算力已经达到上百TOPS 甚至是1000TOPS 的水平。业内人士预测要做到L5 级的自动驾驶，整体的汽车算力需要达4000TOPS。这对于MCU是一个挑战。
对此，国民技术股份有限公司(下称“国民技术”)市场总监程维解释道:“智能电动汽车与传统燃油车的主要区别在于，用电机替代了燃油车发动机，而动力电池自身的重量又让电动车的重心更低，电机控制的四驱系统，不需要发动机功率达到峰值才能得到最大扭矩。基于上述特点，智能汽车对芯片的运算速度，可靠性比传统燃油车要高很多。另外，随着智能电动汽车的进一步发展，各个模块中软件升级是一个区别于传统汽车的新问题，这要求我们的汽车MCU具备安全OTA升级的功能。
国民技术6月份发布的车规MCU N32A455采用40nm工艺量产，产品已通过AEC-Q100测试，并被列入工信部汽车电子国产芯片替代指导目录，该产品具备高可靠性、高性能、集成加密算法引擎和安全存储等优势，已在部分车厂及零部件厂商中实现导入，主要应用在氛围灯、升窗器、门控、车钥匙、中控屏、OBC、等节点控制的场景，进入批量供货阶段。”
MCU、功率器件在智能电动汽车中的市场
据亿欧智库测算，2021年中国智能电动汽车销量约为133.3万辆，2022年1-9月累计销量达247.6万辆，预计2022年将超到400万辆，2025年将达到838.2万辆，在新能源汽车销量中的渗透率达到61.7%，中国智能电动汽车销量持续增长。在国家“双碳”目标的推动下，电动汽车会进一步取代燃油车，智能电动汽车2025年是更大的市场。
MCU在汽车电子领域的应用市场规模大，一辆传统汽车就需要用到70颗以上的MCU芯片。相对于传统汽车，新能源汽车对芯片的需求多的多。智能汽车需要的MCU芯片超300颗，其增长部分主要用在智能座舱、车身稳定性以及安全性方面。若按照每台智能电动汽车需要300颗MCU芯片，亿欧智库智能电动汽车2022年将超400万辆，2025年将达到838.2万辆测算，2022年智能电动汽车MCU芯片需求量将超12亿颗，2025年将超25.15亿颗。
上海灵动微电子股份有限公司灵动产品市场总监王维表示“短期来看，车规芯片仍处于短缺状态，与快速增长的国内智能电动汽车的市场份额相比，更多的高品质国内车规级MCU将被导入。灵动在今年9月发布首款车规MCU MM32A0140后，将陆续发布MM32A5高性能车规和MM32AS车规电机系列。”
据了解，我国车规级芯片国产渗透率不到5%，国产汽车MCU厂商有比亚迪半导体、兆易创新、杰发科技、中微半导、国民技术、灵动微等。未来，智能电动汽车国产替代市场空间较大。
IGBT是新能源汽车除电池之外成本第二高的元器件。东方财富调研显示，车规级IGBT模块成本已占到新能源汽车整车成本的8-10%。新能源汽车中，动力系统、热管理系统以及配套的充电桩都将拉动功率器件的需求。业内人士预测预计 2025 年 全球新能源汽车 IGBT 市场规模将达到 44 亿美元，年复合增速约 48.8%，是电动化趋势下的汽车功率半导体中最受益品种。
汽车功率器件中，主要以IGBT、MOSFET为主，sic器件也正在加速渗透。据TrendForce集邦咨询研究随着越来越多汽车企业开始在电驱系统中导入SiC技术，预估2022年车用SiC功率元件市场规模将达到10.7亿美元，至2026年将攀升至39.4 亿美元。智能电动汽车快速增长也将成为汽车功率器件的黄金赛道。
深圳爱仕特科技有限公司应用开发总监余训斐透露到：在国产自主研发SiC MOS功率器件的公司中，爱仕特是出货量最大的企业之一，总体今年已经出货2KK以上。随着新能源汽车需求的不断上升，我们也接到了几大车企的预订单，目前销售主要还是受限于全球 SiC上游产能情况，随着产业链产能提升，整体销售量会有大幅度提升。
智能电动汽车发展趋势：电子电气架构呈集中式发展
目前，智能电动汽车电子电气架构呈现集中式发展趋势，汽车电子电气架构把汽车中的各类传感器、ECU、线束拓扑和电子电气分配系统整合在一起完成运算、动力和能量的分配，进而实现汽车整车的各项功能。随着汽车卷入到数字浪潮后，传统的汽车电子电气架构无论从软件迭代能力、架构复杂度、算力还是数据传输效率，都已经无法满足。集中式架构将分散的ECU集成为更高算力的域控制器(DCU)，可减少传统汽车分布式 ECU网络带来的大量车辆线束、节约制造成本并避免算力冗余。因此，智能电动汽车电子电气结构的集中化是不可避免的。同时，这也意味着传统低性能、低算力的MCU将会被高性能的MCU替代。
国民技术市场总监程维表示：“新的电气架构基本都以域控为主，大多数车厂会以左中右域来定义车身，国民技术在2023年Q4将推出一款符合安全等级B的产品，来覆盖这一领域的应用。”
安森美如今是全球十大汽车半导体供应商，在图像传感器，功率模块和分立式点火IGBT等汽车系统关键技术拥有领先地位，对于在智能电动汽车公司未来布局，安森美中国区现场应用工程总监吴志民表示“新能源和智能驾驶汽车取代传统燃油汽车是未来的主要发展方向。安森美将顺应趋势，发展智能电源和智能感知技术，加速推动相关的新技术变革，以高度差异化的创新产品组合，解决最复杂的技术挑战，并引领创建一个更安全、 更清洁、更智能的汽车产品生态系统。例如第三代半导体的碳化硅技术，L4自动驾驶感知系统等等。”
结语：
目前，智能电动汽车正在成为汽车产品中竞争的主战场。智能电动汽车MCU、功率器件除了要通过车规级认证的标准之外，还对MCU算力、性能提出了更高的技术要求。车规MCU、功率器件当下一直处于短缺状态，我国车规级芯片国产渗透率又不到5%，市场缺口大，供需紧张的局面给国产车规汽车芯片放量机遇。国家支持纯电动的政策，市场持续增长的现象都昭示着智能电动汽车市场的空间利好，企业应早日实现智能电动汽车MCU、功率器件国产替代，抢占智能电动汽车市场地位。
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