电机驱动芯片行业研究报告：见微知著，国产替代加速渗透

见微知著，国产替代加速渗透——电机驱动芯片行业研究报告 分析师：马永正SAC编号：S0870523090001联系人：潘恒SAC编号：S0870122070021 摘要 ◆电机驱动IC简介：电机驱动IC指集成有CMOS控制电路和DMOS功率器件的芯片，根据输入信号，按照内置的算法控制电机绕组电路流动方向，从而控制电动机的启停与转动方向，交流感应电机无需特殊驱动装置即可旋转，而直流无刷（BLDC）、步进以及伺服电机都需要驱动器来进行工作。基本的电机驱动控制方案主要由前端MCU+栅极驱动+功率器件以及各类外围器件构成。 ◆市场规模&竞争格局：据Research And Markets统计，2021年全球电机驱动芯片市场规模为38.8亿美元，预计2028年可增长至55.9亿美元，CAGR=5.3%；竞争格局：根据芯八哥数据，电机驱动芯片市场目前主要被Ti、ST、安森美、英飞凌等国外大厂所占据，2021年全球TOP10厂商份额占比约67%。 ◆行业趋势以及壁垒：我们认为电机驱动芯片行业壁垒以及未来的发展趋势主要分为硬件以及软件两大部分：1）硬件：伴随工艺的提升，集成化创新架构未来将会成为主流——头部厂商有望在单芯片上全集成或部分集成预驱、MOS以及LDO、运放等器件，为下游客户提供全套解决方案。此外，我们拆解东芝的电机驱动解决方案发现根据不同下游应用，栅极往往采用不同的器件拓扑结构，例如大家电等高压应用驱动电路相对较为复杂。2）软件：电机主流控制算法主要有120度传导控制（方波控制）、SVPWM、FOC（矢量控制），其中FOC可实现高精度、高效率的控制，但需要复杂的处理，软件负载高。对于控制算法的实现，主要有两大路径：以英飞凌、ST为代表企业在通用芯片上用软件编程来实现电机控制算法与以峰岹、Ti为代表，在芯片设计阶段通过逻辑电路将控制算法在硬件层面实现，后者更有利于缩短客户开发周期，在特定场景算法固化后成本更低。 ◆下游终端应用：1）家电端：受益于家电智能化&变频化升级趋势，直流无刷电机应用占比有望稳步提升，经过我们测算，2024年国内白电电机驱动控制系列芯片市场产值约为123亿，目前以峰岹科技为代表的部分本土头部企业已逐步进入白电市场抢占份额，但峰岹科技2022年白电收入占整个市场产值还不足1%，国产替代空间广阔；2）汽车端：受益于本土新能源汽车市场的快速扩容，电机用量稳步提升，根据群智咨询数据以及汽车电器的方案，我们保守估计新能源汽车至少要用到近50个BLDC电机，对应市场空间也有40亿+；3）工业/人型机器人：主流电机产品包括传统伺服电机和特殊伺服电机（空心杯、无框力矩电机），都需要驱动器进行工作。 ◆投资建议：我们认为电机驱动芯片行业发展门槛高，高端领域尚待突破，目前正处于国产替代深水区，这对本土厂商电机驱动控制方案软硬件结合能力提出了更高要求。我们建议关注：1）在白电领域取得较大突破，客户基础扎实，并持续布局车规领域的峰岹科技；2）收购电机控制方案专家凌欧创芯，未来产品线协同能力强的晶丰明源；3）产品线多而全，产品性价比凸显的中微半导；4）具备特色产品线的灿瑞科技、雅创电子。 ◆风险提示：终端需求复苏不及预期、行业竞争加剧、地缘政治风险 目录 SECTIONC o n t e n t 一、电机驱动芯片行业总览：本土厂商仍处于起步初期，国产替代空间广阔二、行业壁垒&发展趋势：硬件集成化以及配套算法升级趋势并行三、下游应用：多点开花共驱行业成长，百亿赛道有待深耕四、建议关注五、风险提示 电机驱动芯片产业链 根据头豹研究院以及峰岹科技数据，以直流无刷电机为例，我们发现驱动控制芯片价值量较高，并根据Grand View Research数据，2020年全球电机市场规模1427亿美元。图1电机驱动芯片产业链一览 电机驱动芯片简介 ◆交流感应电机不需要驱动装置即可旋转，而我们认为直流电机速度稳定，转速控制精确，微型直流电机在信息处理设备中往往担负着精密控制和驱动功能，成长空间广阔。 ◆直流电机主要分为有刷以及无刷（BLDC)电机，相较有刷电机，无刷直流电动机不采取机械换向器，可以实现高速转动和快速反转，并且具有低噪音、低振动、高效率等优点。 ◆有刷直流电机是一种简单易用的电机，它无需特别的电子电路来驱动，而无刷直流电机通过取消有刷直流电机的电刷，解决了电刷带来的弊端，其驱动电路需要很多电子元器件，包括位置检测传感器、多个功率晶体管和栅极驱动器、以及控制它们的微控制器等，对电路设计技巧和软件知识要求很高。 电机驱动芯片国产替代空间广阔 ◆电机驱动IC指集成有CMOS控制电路和DMOS功率器件的芯片，包含了速度控制、力矩控制、位置控制及过载保护等功能，可以用来驱动直流电机、步进电机和继电器等感性负载，可以根据输入信号，按照内置的算法控制电机绕组电路流动方向，从而控制电动机的启停与转动方向。 ◆市场规模&竞争格局：据市场调研机构Research And Markets统计，2021年全球电机驱动芯片市场规模为38.8亿美元，预计2028年可增长至55.9亿美元，年复合增长率约为5.3%，目前全球主要厂商包括德州仪器、ST、安森美、英飞凌等公司，2021年全球TOP10厂商份额占比约67%。 资料来源：芯八哥，根据Research And Markets所给复合增长率进行估算，上海证券研究所 资料来源：电子工程专辑，上海证券研究所 目录 SECTIONC o n t e n t 一、电机驱动芯片行业总览：本土厂商仍处于起步初期，国产替代空间广阔二、行业壁垒&发展趋势：硬件集成化以及配套算法升级趋势并行三、下游应用：多点开花共驱行业成长，百亿赛道有待深耕四、建议关注五、风险提示 电机驱动芯片硬件架构——高度集成方案成为小型解决方案优质选择 ◆据电力电子产业网数据，2021年栅极驱动市场价值17.3亿美元，到2026年CAGR为7.9%，下游应用中电机驱动份额占66%，市场规模约为11.4亿美元。 ◆根据Ti官网资料，集成解决方案通过器件集成可以缩短设计时间、简化采购流程以及节省成本，确保电机系统更加可靠和高效，主要分为完全分立、部分集成、完全集成等方案。 ◆根据MPS官网资料显示，用于电机驱动的单片解决方案集成了逻辑、支持和保护电路，功率器件，相较于分立方案，PCB面积更小。 电机驱动芯片硬件架构——全桥以及三相拓扑结构工艺壁垒较高 ◆据类比半导体资料，电机驱动芯片拓扑结构主要为单通道低边/高边、半桥、全桥，配合PWM（脉宽调制）调速来实现电机的驱动和调速。 ◆据电子发烧友网站资料，1）相比全桥驱动，半桥驱动芯片由于其易于设计驱动电路、外围元器件少、驱动能力强、可 靠 性 高、灵 活 等 优 点 在MOSFET驱动电路中得到广泛应用；2）全桥电路成本高，电路相对复杂，不容易产生泻流，而半桥电路在振荡转换之间容易使波形变坏，产生干扰。 电机软件控制算法——无感FOC算法进入壁垒高 ◆电机主流控制算法主要有120度传导控制（方波控制）、SVPWM、FOC（矢量控制）。方波控制：方法简单，软件负载低，但由于控制方法不检测电流，易受负载波动影响，精确度和效率低于矢量控制。矢量控制：可实现高精度、高效率的控制，但需要复杂的处理，软件负载高。 ◆电机传感器控制是用传感器来检测电机的转速、位置或其他参数，并根据这些参数来控制电机的运行。无霍尔传感器直接反馈情况下，常采取反电动势法来获取转子位置，提高了可靠性（传感器连接容易受到灰尘和潮湿环境的污染），但在速度较低时，工作效率不高。 ◆霍尔传感器具有结构牢固、体积小、安装方便、寿命长等特点得到广泛应用，编码器则可以提供更精确的角度和位置反馈，常用于工业自动化、航空航天、机器人等领域。表5电机控制算法 资料来源：瑞萨官网，上海证券研究所 电机软件控制算法——算法硬件化降本，提升产品竞争力 ◆电机控制算法硬件化：在芯片设计阶段通过逻辑电路将控制算法在硬件层面实现，相对于通用MCU，特定场景的专用MCU算法固化后成本更低，减少CPU算力耗时，有利于缩短客户开发周期和降低客户使用上的难度，提高产品易用性和竞争力。 ◆软件算法：行业主流方案，应用范围较广，功能延展性较强。 目录 SECTIONC o n t e n t 一、电机驱动芯片行业总览：本土厂商仍处于起步初期，国产替代空间广阔二、行业壁垒&发展趋势：硬件集成化以及配套算法升级趋势并行三、下游应用：多点开花共驱行业成长，百亿赛道有待深耕四、建议关注五、风险提示 家电端BLDC电机渗透率有望稳步提升 根据我爱方案网资料，受益于家电变频化升级趋势，直流无刷电机用量正在高速成长。小家电：根据电子发烧友数据，2021年电风扇、吸尘器BLDC渗透率分别为20%、30%，我们认为未来有望继续稳步提升。大家电：单机价值量较大，单机用量4个以上。 经测算，2024年国内白电BLDC电机驱动控制配套芯片市场产值约123亿元，我们认为白电电机驱动方案具有较强进入壁垒，对应百亿市场空间，未来国产替代空间广阔。 新能源汽车电机用途分类 根据上海电机行业协会数据显示，普通的燃油车上平均的电机数量在20个左右，而新能源汽车电机数量高达100个以上。 ◆直流有刷电机主要应用在相对转速比较低、力矩比较大的场景，例如车窗、车门、尾门、电动座椅、锁扣、驻车系统等。◆无刷直流电机一般应用转速比较高或者对转速控制要求比较精准的场合，例如EPS、水泵、风扇、空调、雨刮器。◆步进电机主要应用在低转速、高精度的场合，比如出风口扇叶，车灯调节或仪表指针等。◆永磁同步电机主要用在HEV/EV主电机、电动压缩机等。 资料来源：GRCC，上海证券研究所 新能源汽车BLDC电机市场空间测算 ◆根据汽车电器以及群智咨询的数据，我们保守估计2024年国内新能源汽车BLDC电机驱动控制芯片替换空间40亿+。 工业/人形机器人领域应用方兴未艾 ◆传统伺服电机：采用闭环控制方式，可以高精度地控制位置、速度和力矩，从而满足高精度加工和运动控制的需求。◆空心杯电机：空心杯电机属于直流、永磁、伺服微特电机，突破了传统电机的转子结构形式，采用无铁芯转子，这种转子结构彻底消除了由于铁芯形成涡流而造成的电能损耗，其重量和转动惯量大幅降低，减少了转子自身的机械能损耗。◆无框力矩电机：直驱力矩电机由同步伺服电机演化而来，通常具有较多的磁极对数和较高的功率密度，因此在低转速下具备超大的输出力矩。直驱力矩电机大体上可以分为有框直驱电机、无框直驱电机和模块化直驱电机（有框无轴承），可以在电动机低速甚至堵转（即转子无法转动）时仍能持续运转，不会造成电动机的损坏。而在这种工作模式下，电动机可以提供稳定的力矩给负载。 资料来源：鸣志电器，上海证券研究所 资料来源：精谷智能，上海证券研究所 目录 SECTIONC o n t e n t 一、电机驱动芯片行业总览：本土厂商仍处于起步初期，国产替代空间广阔二、行业壁垒&发展趋势：硬件集成化以及配套算法升级趋势并行三、下游应用：多点开花共驱行业成长，百亿赛道有待深耕四、建议关注五、风险提示 峰岹科技：BLDC电机芯片龙头，自主打造“双核”架构 ◆专注高性能BLDC电机驱动控制芯片，已成功获得美的、小米、松下、海尔等知名客户认可。 ◆高研发投入，推进海外市场布局，2022年研发投入占当期营收比例为19.77%，同比提高7.36%；境外收入0.2亿元，同比增长146.87%。 ◆白电以及服务器散热风扇等新兴领域进展顺利，2022年销售占比分别为10.35%、10.42%，同比上升5.23pct、6.04pct；持续发力汽车电子领域，积极推动芯片产品从小批量试产逐步进入量产。 资料来源：峰岹科技公司公告，2021及2022年产品单价通过公司公告销售收入及销售量数据计算得出，上海证券研究所 资料来源：wind，上海证券研究所 资料来源：wind，上海证券研究所 峰岹科技：B