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从三菱电机,看功率元器件市场前行驱动力

前不久的PCMI Asia展上,三菱电机携功率元器件新品亮相,还特别就半导体业务的发展情况做了细致的阐述。三菱电机这家公司的业务相对庞杂,包括了能源与电力系统、工业自动化系统、信息与通讯系统、家电以及电子器件(Electronic Devices)。而功率元器件还属于电子器件业务的一个子类别,三菱电机电子器件的其他产品包括了高频与光学器件、TFT LCD模组。

从这家公司2018年的财报来看,电子器件业务(半导体元器件事业部)营收实际只占到公司总营收的3.9%,规模在2022.94亿日元——子类中的功率元器件在营收中的占比自然就更少了,相比家电、工业自动化系统实际是个相对比较小的业务线。不过这家公司的特殊性又在于,三菱电机的其他业务线有许多是依赖于功率元器件的。

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三菱电机半导体首席技术官Gourab Majumdar博士

就像三菱电机半导体首席技术官Gourab Majumdar博士说的那样:“但很多元器件是给事业部其他部门供货的,虽然销售额不高,但所处的位置却是非常重要的。”就三菱电机本身业务的覆盖范围来看,这家公司也是窥探现如今功率元器件市场驱动力的一个窗口。

驱动内部业务增长的核心

三菱电机FY2019的年报(截至今年3月)已经公开了,2019年的情况非常有趣,就总成绩来看,营收增长2%,营业利润下滑11%。再结合一下自由现金流1120亿日元,就三菱电机这个规模的企业而言,这属于比较正常,而且整体偏健康的财务状况。

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来源:三菱电机FY2019年报

在业务分类中,电子器件业务营收同比下滑1%——这是比较常规的,但令人好奇的是,该业务的营业利润从2018年的141亿日元跌至2019年的14亿日元——这个跌幅已经达到了90%。三菱电机并没有在财报中具体阐明半导体利润下滑的原因,只提到一句“主要是由于营收下滑及产品组合变化”。这句话的信息量是不大的。

我们能够找到的原因在财报中还是有一丝端倪的,即电子器件业务的资本支出在2019财年达到了552亿日元,相较2018年增长了多达212%,这在整个三菱电机的业务线中都相当惹眼。我们无从得知个中调整,不过三菱电机预期2020年电子器件业务收益会增长10%,营业利润则会增长385%!

可想见,这其中应该是有大开支或大动作存在的(尤其Q2、Q3财季),并且可以在新财年获得新的增长点。在这种企业基础业务中发生较大程度的资本支出波动,大致可能是源自公司本身的某些规划。也可以认为是驱动其他业务成长的投入。

就三菱电机本身已经公开的信息来看,可以了解到功率元器件对三菱电机内部的这些业务是有驱动作用的:

  • 能源与电力系统

电力系统 - 包括发电系统,输配电系统,传输系统,配电系统等;

运输系统 - 轨道车的逆变器、主电机和空调系统,列车控制与管理系统,轨道车运营管理系统,信号系统等,

建筑系统 - 电梯、自动扶梯、建筑管理系统等;

  • 工业自动化系统

工厂自动化系统 - PLC控制系统,AC伺服电动机,工业机器人,激光加工机械等;

汽车设备 - 启动器、交流发电机、汽车多媒体、EPS系统产品、电动动力总成系统等;

  • 信息通信系统

空间系统 - 卫星控制的卫星、地面系统等;

  • 家用电器

空调与制冷系统 - 房间与一体式的空气调节器,针对建筑的多AC单元,新风系统,制冷机等。

Si IGBT和SiC的应对策略

实际上我们还可以看一看,三菱电机电子器件外部和内部的销售额比例情况。从2018年报详细数据中有这个部分,电子器件业务的外部客户(External customers)占到1653.78亿日元,而Intersegment是369.16亿日元,所以实际其外部客户仍然是主体。

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来源:三菱电机FY2018财报 

所以就功率元器件市场驱动力的考察,只看三菱电机功率元器件业务内部对其他业务的支持还是不够的,还有必要看一看三菱电机功率元器件的产品。首先还是来看应用场景,早前三菱电机有规划过功率元器件市场年度增长的应用场景切分,主体上包括了牵引/电力(Traction/Electric power)、工业(包括新能源)、汽车和家电。这个切分,似乎和三菱电机自家的其他业务还是扣合得非常紧密,只不过汽车被单独分了出来。Gourab Majumdar博士在会上还将新能源专门分了出来。

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其中家电部分是针对市场整体需求而言的,对于功能性要求、更低的功率损耗和更低的功耗;汽车已经没必要再多谈了,当代正处在电动汽车转向期间,全球范围内都会有个强力增长。Gourab Majumdar博士特别提到:“中国汽车市场原本是在激增的,但今年出现了负增长,可是负增长主要表现在汽油柴油车部分。我们的市场是新能源汽车,这部分市场仍然保持了高速增长,所以这个市场我们没有担心过,仍然会呈良性发展。”

上面这张表的数据可能已经比较早,其中轨道牵引/电力应用基础建设部分看起来成长空间似乎已经不是很大,但Gourab Majumdar博士有特别提到中国城市化发展,对高铁的大量投资,还有50多个城市都在建地铁,对三菱电机都是很重要的,这部分市场可能依然不小;工业应用的功率元器件,用Gourab Majumdar博士的话来说:“现在基础建设投资、新工厂建设投资金额放缓,的确影响了工业市场。但工业市场是大周期,我们会根据经济周期做预判,低的时候也能吸收。对未来有良好的预判,冲高峰也能冲的过去。”看来工业市场正面对一波下行周期。

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到具体的技术和类型层面,毫无悬念的就是Si IGBT和SiC,这也是这家公司功率元器件业务的核心。目前三菱电机就Si基IGBT已经发展了好几代,通过对结构的优化,让器件更薄。另外就是发展出分支的RC-IGBT,就是将IGBT和FRD快速回复二极管集成在同一芯片中。整体趋势都是更低的损耗(loss reduction)。

不过实际的重头戏,和业界趋势一致,就是放在SiC部分。三菱电机认为在SiC市场,其差异化竞争的核心在沟槽型SiC MOSFET,以及内置SBD(肖特基二极管)的MOSFET。实际前者还是比较常规的,后者是三菱电机自家的技术,可以实现芯片小型化,3.3kV可节约60%的面积。

在前面提到的几个主要应用领域,三菱电机的SiC都有布局,也是Gourab Majumdar博士提到三菱电机的几个重点发展方向。轨道牵引领域,2011三菱电机实现了应用于轨道车的SiC逆变器商用,2015年日本新干线子弹头列车安装了全SiC功率模块的轨道车牵引系统;工业领域,三菱电机2013年开发针对电梯控制系统的SiC应用。

家电领域,2010年发布Kirigamine逆变器空调,2016年发布全SiC DIPIPM²柜式空调;而能源部分,2011年宣布针对光伏发电功率调节器的“最高功率转换效率”,2015年发布了装备SiC-IPM的光伏功率调节器。

向小功率和大功率全面延伸

最后谈谈具体的产品,这次PCIM Aisa展会上,三菱电机着重展示了表面贴装型IPM、大型DIPIPM+、X系列HVIGBT、SiC MOSFET分立器件、全SiC高压模块5款新型功率模块。涵盖了各种功率的产品。三菱电机功率元器件针对家电的产品图是可以看出一些布局思路的。

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虽然这张图仅针对家电产品,但思路还是相当清晰的,这套布局由价格、体积来确定不同的应对策略,从全SiC DIPIPM、混合SiC DIPIPM,到RC-IGBT产品。这里靠右侧小封装的表面贴装型IPM,主要应用于风机、洗碗机、冰箱、风扇灯。它所采用的是前文提到的RC-IGBT,配合贴片封装让IPM体积更小。而今年要量产的DIPIPM+模块额定电流覆盖更广,主要应用于商业柜机、多联机空调。

由这张图就不难发现三菱电机的野心是涵盖可应用功率元器件的方方面面的。此外,如X系列HVIGBT应用的是牵引、电力传输和高可靠性变流器;全SiC高压模块早前就已经供轨道交通车辆使用,相比Si-IGBT具有更低的开关损耗;另外就是应用于PFC、光伏发电、车载充电器领域的SiC SBD和MOSFET;电动汽车部分相关的主要是J1系列功率模块,是散热器和功率模块得二合一。“我们的竞争优势之一就是小型化,J1系列700A,电流密度、如此小型,应该也只有三菱一家了。”

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这样就基本将三菱电机功率半导体的发展思路说清楚了,就这条路线来看似乎和三菱电机的其他业务息息相关——虽然电子器件业务的主要营收来源就财报来看还是外部客户。有公司原本如此庞杂的业务线,更能体会现在功率元器件大致的发展方向在哪里。

就Research AND Markets数据来看,功率电子市场在2018-2023年的复合年增长率在5.5%,2018年的市场规模在390.3亿美元,到2023年则可以达到510.1亿。之前我们援引的数据提到,SiC市场的情况还要更加乐观,单汽车SiC更是可以达到76%的CAGR速度。功率电子市场的主要增长点就在汽车和工业垂直领域,运输、电动与混合动力汽车都在高速发展,这与三菱电机的业务也是高度重合的。

原创
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黄烨锋
欧阳洋葱,编辑、上海记者,专注成像、移动与半导体,热爱理论技术研究。
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