（文/程文智）電機的正常工作離不開電機驅(qū)動器IC的支持，電機驅(qū)動器IC包含了速度控制、力矩控制、位置控制及過載保護(hù)等功能，它可以根據(jù)輸入信號，按照內(nèi)置的算法控制電機繞組電路流動方向，從而控制電動機的啟停與轉(zhuǎn)動方向。



一般來說，電機驅(qū)動IC集成了CMOS 控制電路和DMOS 功率器件，它可以與主處理器、電機和增量型編碼器構(gòu)成一個完整的運動控制系統(tǒng)。可以用來驅(qū)動直流電機、步進(jìn)電機和繼電器等感性負(fù)載。電機驅(qū)動器IC采用標(biāo)準(zhǔn)的TTL邏輯電平信號控制，具有兩個使能控制端，在不受輸入信號影響的情況下允許或禁止器件工作，有一個邏輯電源輸入端，使內(nèi)部邏輯電路部分在低電壓下工作；可以外接檢測電阻，將變化量反饋給控制電路。

全球電機驅(qū)動器IC市場規(guī)模2028年將突破55億美元

這幾年電機控制與驅(qū)動器IC一直在增長，主要是因為市場對高性能和節(jié)能電機的需求不斷增加，消費、家電、工業(yè)，及汽車中采用BLDC電機越來越多。

據(jù)市場調(diào)研機構(gòu)The Insight Partners統(tǒng)計，2021年全球電機驅(qū)動器IC市場規(guī)模為38.82億美元，預(yù)計2028年將達(dá)到55.89億美元，年復(fù)合增長率為5.3%（2021-2028）。



電機驅(qū)動IC的主要玩家有：TI、ST、ADI、英飛凌、安森美、羅姆、Allegro、東芝、Microchip和Qorvo等。這10家公司的份額超過了整個市場的60%以上。

除此之外，還有瑞薩、松下、恩智浦，MPS、PI、邁來芯、峰岹科技、富滿微、普誠科技、數(shù)明半導(dǎo)體、圣邦微、澎湃微、芯朋微、凌鷗創(chuàng)芯、必易微、拓爾微、瑞盟、艾為、思瑞浦、納芯微、誠芯微、瞻芯、智芯、率能半導(dǎo)體、智浦欣微、芯北科技、巴丁微、晶致、禹創(chuàng)半導(dǎo)體、士蘭微、燦瑞科技、芯派科技、晶豐明源等等國內(nèi)外企業(yè)都有相關(guān)的產(chǎn)品。



從消費地區(qū)層面來看，據(jù)QYResearch統(tǒng)計，2020年，亞太占全球電機驅(qū)動器IC市場份額達(dá)50.75%，其次為北美，占22.59%，歐洲占17.09%，拉美占5.52%，中東和非洲占4.05%。中國市場在過去幾年變化較快，2020年市場規(guī)模為7.2億美元，約占全球的25.48%，預(yù)計2027年將達(dá)到10.1億美元，屆時全球占比將達(dá)到26.57%。

從產(chǎn)品市場應(yīng)用情況來看，2020年，消費電子是電機驅(qū)動器IC最大的行業(yè)市場，占比達(dá)到24.23%，工業(yè)及汽車領(lǐng)域，辦公用品緊隨其后，分別占比18.47%和15.02%。
電機控制器方面，主要以MCU為主，中國地區(qū)的MCU市場中，主要還是以海外廠商的MCU為主，前六大MCU廠商瑞薩電子、Microchip、ST、恩智浦、英飛凌和TI加起來超過了80%的市場份額。另外，國內(nèi)MCU企業(yè)這兩年發(fā)展迅速，目前在國內(nèi)上市的MCU相關(guān)企業(yè)有20家之多，還有BYD半導(dǎo)、輝芒微電子等處在上市進(jìn)程當(dāng)中，以及靈動、小華半導(dǎo)體、芯旺微、沁恒微、極海科技、華芯微特、凌鷗創(chuàng)芯、領(lǐng)芯微等發(fā)展不錯的MCU企業(yè)。

還有，在電機控制領(lǐng)域，這幾年有控制IC和驅(qū)動器IC開始集成化的趨勢，不少廠商開始采用SiP的方式將二者集成在一起。

電機控制器IC之MCU市場情況

控制器內(nèi)用到的IC芯片主要有SoC、DSP、FPGA、MCU等幾種類型，其中以MCU的使用最為廣泛。去年的MCU市場也非常火熱，根據(jù)IC Insights的報告，2021年，MCU平均售價（ASP）上漲了10%至0.64美元；出貨量增長12%，達(dá)309億顆，市場規(guī)模為197億美元，預(yù)計今年將會增長10%左右達(dá)到215億美元。



從類別上來看，預(yù)計未來32位MCU的銷售額的年復(fù)合增長率約為9.4%，16位MCU將會保持在47億美元規(guī)模，4/8位保持在24億美元左右的市場規(guī)模，不再增長。

從市場格局方面來看，中國地區(qū)的MCU市場中，主要還是以海外廠商的MCU為主，前六大MCU廠商瑞薩電子、Microchip、ST、恩智浦、英飛凌和TI加起來超過了80%的市場份額。

在前6大MCU廠商中，瑞薩主要以自研MCU內(nèi)核為主，但這幾年也推出了不少Arm內(nèi)核的產(chǎn)品。其他廠商的MCU產(chǎn)品主要基于ArmCortexM內(nèi)核。根據(jù)各公司官網(wǎng)統(tǒng)計，總共有4,500款A(yù)rmCortex-M系列的產(chǎn)品，占所有統(tǒng)計的32位MCU料號數(shù)量的64%。


當(dāng)然，國內(nèi)MCU企業(yè)這兩年發(fā)展迅速，目前在國內(nèi)上市的MCU相關(guān)企業(yè)有20家之多，包括了兆易創(chuàng)新、士蘭微、中穎電子、國民技術(shù)、樂鑫科技、芯海科技等，還有輝芒微電子等處在上市進(jìn)程當(dāng)中，以及靈動、小華半導(dǎo)體、芯旺微、沁恒微、極海科技、華芯微特、凌鷗創(chuàng)芯、領(lǐng)芯微等發(fā)展不錯的MCU企業(yè)。

去年的MCU市場缺貨嚴(yán)重，很多行業(yè)都拿不到貨，記得去年我們的BLDC大會上，有不少廠商過來找貨。不過今年的情況發(fā)生了一些改變，據(jù)我們得到的信息現(xiàn)在半導(dǎo)體企業(yè)的平均庫存到了8個月，如果把分銷商手上的貨跟原廠的貨加起來的話，有的企業(yè)庫存可能到12個月了。不過，但工業(yè)和汽車類應(yīng)用的供應(yīng)目前還是有些緊張。

電機驅(qū)動器IC之功率器件市場分析

電機控制系統(tǒng)中另一個重要的器件是功率器件，這包括MOSFET、電源IC、IPM，或者IGBT等產(chǎn)品。據(jù)芯謀研究統(tǒng)計，2021年全球功率IC市場規(guī)模為305億美元。2022年保持穩(wěn)定。2023年，全球半導(dǎo)體芯片、特別是DRAM等存儲器價格的大幅下滑、庫存消化、市場競爭將導(dǎo)致全球半導(dǎo)體市場和全球功率IC大幅下滑，之后將恢復(fù)增長態(tài)勢。



其中，TI、英飛凌、ST、ADI、安森美、瑞薩、NXP等國際半導(dǎo)體供應(yīng)商的市占率較高，國內(nèi)矽力杰、晶豐明源、士蘭微、富滿微、圣邦微、南芯、明微電子、上海貝嶺等在2021年市場表現(xiàn)很好。

IGBT和碳化硅MOSFET是目前功率器件發(fā)展的重點。通過對各類型功率器件渠道端價格的梳理發(fā)現(xiàn)，進(jìn)入2022年以來，伴隨供需緊張關(guān)系逐季緩解，硅基MOSFET（低壓為主）功率器件價格呈現(xiàn)明顯下降趨勢。而IGBT模塊、SiC器件等產(chǎn)品受新能源市場高需求提振，整體價格表現(xiàn)較為強勢。隨著國內(nèi)外產(chǎn)能加速落地以及SiC襯底成本逐步下探，SiC器件有望迎來量價齊升。

IGBT方面，除了英飛凌等國際廠商之外，國內(nèi)企業(yè)也發(fā)展得還可以，比如斯達(dá)用在主電機控制器內(nèi)的車規(guī)級IGBT模塊已經(jīng)開始大批量（出貨）配套海外市場。據(jù)統(tǒng)計，今年上半年，已經(jīng)有50萬的裝車量，不過主要是A00級車，以及部分A級車；時代電氣獲得了不少汽車項目定點，隨著二期產(chǎn)能達(dá)產(chǎn)，車規(guī)IGBT有望放量；宏微科技車規(guī)IGBT開始量產(chǎn)。總的來說，國產(chǎn)企業(yè)機會很大。

在中高端MOSFET及IGBT主流器件市場上，國內(nèi)主要依賴進(jìn)口，并基本上被歐美日企業(yè)所壟斷。目前國內(nèi)的功率半導(dǎo)體龍頭企業(yè)市場占有率仍然較低，這需要國內(nèi)功率器件廠商的跟進(jìn)。相信隨著BLDC電機市場的興起，對國內(nèi)功率器件廠商來說是一個崛起的機會。

SiC和GaN等第三代半導(dǎo)體的應(yīng)用，自從特斯拉用了ST的SiC模塊產(chǎn)品后，引爆了SiC市場。國內(nèi)現(xiàn)在有很多做第三代半導(dǎo)體器件的企業(yè)。

2021年全球SiC市場規(guī)模為11.37億美元，預(yù)計未來5年的復(fù)合增長率可達(dá)28%。目前主要的玩家有ST、英飛凌、Wolfspeed、羅姆、安森美和三菱。國內(nèi)的新玩家很多，產(chǎn)品主要是以SBD為主，MOSFET還不多。

GaN方面，2021年的市場規(guī)模是1.26億美元，預(yù)計到2027年可達(dá)21億美元。而且，現(xiàn)在已經(jīng)有GaN的產(chǎn)品在電機驅(qū)動上的應(yīng)用了。安世半導(dǎo)體和上海電驅(qū)動合作的一款GaN電機驅(qū)動解決方案，該方案主要用在A00級車上。另外，ST和TI等廠商也在開發(fā)基于GaNQ器件的電機控制系統(tǒng)解決方案。

隔離器方面，主要玩家包括TI、ADI、Skyworks（去年收購Silicon Labs的部分產(chǎn)品線）等國際廠商、以及納芯微、川土微、數(shù)明和榮湃等國內(nèi)廠商。思瑞浦最近也推出了隔離器產(chǎn)品，主要針對工廠自動化、電力自動化、電機驅(qū)動、電源控制等應(yīng)用場景。

未來電機控制將向節(jié)能和智能化方向發(fā)展

隨著2021年6月1日，我國正式實施的最新電機能效標(biāo)準(zhǔn)《GB18613-2020電動機能效限定及能效等級》，該標(biāo)準(zhǔn)實施后，三相異步電機能效限定值達(dá)不到IE3的電機，就不能再生產(chǎn)、銷售和采購了。

2021年10月26日，國務(wù)院又印發(fā)《2030年碳達(dá)峰行動方案》，其中重點指出推進(jìn)重點用能設(shè)備節(jié)能增效，以電機、風(fēng)機、泵、壓縮機、變壓器、換熱器、工業(yè)鍋爐等設(shè)備為重點，全面提升能效標(biāo)準(zhǔn)。

緊接著2021年11月，工業(yè)和信息化部、市場監(jiān)督管理總局聯(lián)合印發(fā)《電機能效提升計劃（2021-2023年）》。《計劃》提出，到2023年高效節(jié)能電機年產(chǎn)量達(dá)到1.7億千瓦，在役高效節(jié)能電機占比達(dá)到20%以上，實現(xiàn)年節(jié)電量490億千瓦時，相當(dāng)于年節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤1500萬噸，減排二氧化碳2800萬噸。推廣應(yīng)用一批關(guān)鍵核心材料、部件和工藝技術(shù)裝備，形成一批骨干優(yōu)勢制造企業(yè)，促進(jìn)電機產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。采用新型電機設(shè)計、新工藝及新材料，降低電磁能、熱能、機械能的損耗來提高輸出效率，高效節(jié)能電機比傳統(tǒng)電機效率大約高3-5%。

也就是說，未來市場需要更加高效和節(jié)能的電機，因此電機控制行業(yè)也將隨著電機的市場需求發(fā)生改變，未來電機控制市場的發(fā)展主要有兩個方向，即節(jié)能和智能化。那么如何實現(xiàn)節(jié)能和智能化呢？

一般來說，電機的節(jié)能控制可以通過兩個方面來實現(xiàn)：

一是采用更加集成化的器件和SiC、GaN等第三代半導(dǎo)體器件。更集成化的器件包括集成化的功率MOSFET、IGBT、單片電機驅(qū)動IC、功率模塊等等。比如，IGBT模塊，大部分的供應(yīng)商都在不斷優(yōu)化其結(jié)構(gòu)，提高其開關(guān)速度和穩(wěn)定性等特性，新型的IGBT器件非常適合解決復(fù)雜的電機控制問題。目前汽車上的驅(qū)動電機驅(qū)動器大都采用了IGBT器件，當(dāng)然也有一些廠商開始嘗試SiC器件。這是因為SiC器件在電機控制中的使用，有助于電機的節(jié)能和減少尺寸，再加上其高集成度和可靠性等特性，非常適合在汽車和工業(yè)自動化控制應(yīng)用中使用。

除了SiC，還有GaN器件，由于其開關(guān)性能更好，高頻特性突出，已經(jīng)有廠商推出了基于GaN器件的電機驅(qū)動解決方案。不過目前SiC和GaN器件的成本還有點偏高，EMC和EMI問題更突出等限制，目前還沒有大規(guī)模推廣開來。

二是算法和軟件技術(shù)。電機控制需要算法的支持，相同的硬件解決方案，如果算法優(yōu)化程度不一樣，電機的效率也會有很大差別。

另外，電機控制的智能化也可以從兩個方面來實現(xiàn)：

一是擴(kuò)展感知范圍，也就是說在電機控制方案中加入更多的傳感器，比如說振動傳感器，通過振動來監(jiān)測電機的運行狀態(tài)，在電機發(fā)生故障之前就能提前感知，并進(jìn)行維護(hù)，或者自動修復(fù)。

二是采用性能更強的處理器，過去電機控制流行采用DSP，后來經(jīng)過演變，出現(xiàn)了各種不同的解決方案。在硬件方面，現(xiàn)在常用的MCU，并且在MCU外設(shè)方面添加更多功能，例如快速ADC、柵極驅(qū)動器、電源模塊、及電機控制PWM外設(shè)等等；而在軟件方面，可以加入更多的AI算法，比如環(huán)境感知信息的處理算法、自身參數(shù)的識別算法等等。

結(jié)語

總的來說，未來高效節(jié)能電機代替?zhèn)鹘y(tǒng)電機是大勢所趨，市場空間巨大。短期看，2022-2023兩年內(nèi)為了實現(xiàn)高效節(jié)能電機20%占比目標(biāo)，下游企業(yè)必然需要對耗能設(shè)備進(jìn)行存量電機升級改造，或新購高效節(jié)能電機，也就是說，節(jié)能電機存在巨大替換需求。

長遠(yuǎn)來看，國內(nèi)高效節(jié)能電機占比提高到20%后，仍然遠(yuǎn)低于2015年歐美發(fā)達(dá)國家40%的占比水平，在全球的碳達(dá)峰、碳中和以及中國2060碳中和目標(biāo)的環(huán)境背景下，未來國內(nèi)高效節(jié)能電機的占比仍然具有巨大的增長空間。

此外，由于與之前的電機不同，高效電機需要電子工程師的參與，需要既了解電機工作原理，也懂得電子設(shè)計，還需要理解算法。因此，它是一個機電一體化產(chǎn)品，需要多個團(tuán)隊來配合。要想做好，企業(yè)需要投入更多的研發(fā)經(jīng)費。在電子發(fā)燒友網(wǎng)舉辦的電機控制技術(shù)研討會上，多位嘉賓也談到，目前電機控制工程師還屬于緊缺的狀況，很多企業(yè)需要自己培養(yǎng)合格的電機控制工程師。也就是說電機控制工程師的未來就業(yè)和發(fā)展前景也會很好。