SiC 和 GaN：兩種半導(dǎo)體的故事

在過(guò)去的幾十年中，碳化硅和氮化鎵技術(shù)的進(jìn)步一直以發(fā)展、行業(yè)接受度不斷提高和有望實(shí)現(xiàn)數(shù)十億美元收入為特征。第一個(gè)商用 SiC 器件于 2001 年以德國(guó)英飛凌的肖特基二極管的形式問(wèn)世。隨之而來(lái)的是快速發(fā)展，到 2026 年，工業(yè)部門(mén)現(xiàn)在有望超過(guò) 40 億美元。

2010 年，當(dāng)總部位于美國(guó)的 EPC 交付其超快速開(kāi)關(guān)晶體管時(shí)，GaN 首次驚艷了整個(gè)行業(yè)。市場(chǎng)采用率尚未與 SiC 相匹配，但到 2026 年，功率 GaN 收入可能達(dá)到 10 億美元。

每種技術(shù)未來(lái)市場(chǎng)成功的秘訣在于電動(dòng)和混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)。對(duì)于 SiC 而言，EV/HEV 市場(chǎng)確實(shí)是最佳選擇——預(yù)計(jì)超過(guò) 25 億美元的市場(chǎng)中至少 60% 將來(lái)自該領(lǐng)域。

特斯拉于 2017 年啟動(dòng)了 SiC 功率器件市場(chǎng)，成為第一家在其 Model 3 中添加 SiC MOSFET 的汽車(chē)制造商。該器件來(lái)自意法半導(dǎo)體，集成了內(nèi)部主逆變器設(shè)計(jì)。其他汽車(chē)制造商也迅速效仿，包括現(xiàn)代、比亞迪、蔚來(lái)、通用汽車(chē)等。

中國(guó)吉利汽車(chē)最近宣布，它正在與日本羅姆公司合作，為其電動(dòng)汽車(chē)開(kāi)發(fā)基于 SiC 的牽引逆變器。蔚來(lái)汽車(chē)是中國(guó)對(duì)特斯拉的回應(yīng)，它將在其車(chē)輛中實(shí)施基于 SiC 的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。與此同時(shí)，汽車(chē)制造商和半導(dǎo)體制造商比亞迪一直在為其全線電動(dòng)汽車(chē)開(kāi)發(fā) SiC 模塊。

去年，中國(guó)電動(dòng)客車(chē)制造商宇通透露，將在客車(chē)動(dòng)力總成中使用 StarPower China 制造的 SiC 功率模塊。這些模塊使用Wolfspeed的 SiC 器件。

現(xiàn)代將把英飛凌用于 800V 電池平臺(tái)的基于 SiC 的功率模塊集成到電動(dòng)汽車(chē)中。在日本，豐田正在其 Mirai 燃料電池電動(dòng)汽車(chē)中使用電裝的 SiC 增壓功率模塊。與此同時(shí)，通用汽車(chē)剛剛與 Wolfspeed 簽約，為其電動(dòng)汽車(chē)電力電子設(shè)備供應(yīng) SiC。

歐洲汽車(chē)制造商接受 SiC 的速度較慢，但變革正在進(jìn)行中。6 月，雷諾和意法半導(dǎo)體聯(lián)手開(kāi)發(fā)用于 EV 和 HEV 的 SiC 和 GaN 器件。預(yù)計(jì)戴姆勒、奧迪和大眾將很快發(fā)布更多公告。

對(duì)于 Wolfspeed、英飛凌、意法半導(dǎo)體、ROHM 和 Onsemi 而言，重要的是，汽車(chē) OEM 也更愿意從多個(gè)來(lái)源購(gòu)買(mǎi)晶圓和設(shè)備，以確保可靠供應(yīng)。考慮到中國(guó)和其他國(guó)家向 SiC 供應(yīng)鏈投入的巨額資金，銷量只會(huì)繼續(xù)上升。

在此過(guò)程中，棘手的成本問(wèn)題也正在得到解決。在組件級(jí)別，硅 IGBT 比 SiC 同等產(chǎn)品便宜得多，并且不會(huì)很快從電源應(yīng)用中消失。但一級(jí)制造商和 OEM 表示，將高功率密度 SiC 應(yīng)用到逆變器設(shè)計(jì)中，由于需要更少的組件而節(jié)省了空間和重量，從而降低了系統(tǒng)級(jí)的成本。

但這會(huì)給 GaN 帶來(lái)什么影響？這種寬帶隙半導(dǎo)體尚未見(jiàn)證 SiC 在電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域的成功。但由于其高頻操作和效率，原始設(shè)備制造商要么對(duì)這項(xiàng)技術(shù)懷有濃厚的興趣，要么正在進(jìn)行開(kāi)發(fā)計(jì)劃。

GaN功率器件已經(jīng)出現(xiàn)在小批量、高端的光伏逆變器中，并且越來(lái)越多地用于包括智能手機(jī)在內(nèi)的一系列移動(dòng)設(shè)備的快速充電器中。事實(shí)上，愛(ài)爾蘭的 Navitas、美國(guó)的 Power Integrations 和中國(guó)的 Innoscience 都在為蓬勃發(fā)展的快速充電器市場(chǎng)制造 GaN 功率 IC。

鑒于這一活動(dòng)，預(yù)計(jì) 2021 年 GaN 功率器件的收入將達(dá)到 1 億美元左右。但隨著 GaN 器件供應(yīng)商希望進(jìn)入其他市場(chǎng)以提高產(chǎn)量，這一數(shù)字預(yù)計(jì)到 2026 年將增至 10 億美元。而 EV/HEV市場(chǎng)是最先關(guān)注的。

在電動(dòng)汽車(chē)中使用 GaN 還為時(shí)過(guò)早。許多功率 GaN 廠商已開(kāi)發(fā)并通過(guò)自動(dòng)認(rèn)證的 650V GaN 器件，用于 EV/HEV 中的車(chē)載充電器和 DC/DC 轉(zhuǎn)換，并已與汽車(chē)企業(yè)建立了無(wú)數(shù)合作伙伴關(guān)系。

例如，加拿大 GaN Systems 向美國(guó)電動(dòng)汽車(chē)初創(chuàng)公司 Canoo 提供其設(shè)備用于車(chē)載充電器，并且還與加拿大電動(dòng)汽車(chē)電機(jī)驅(qū)動(dòng)供應(yīng)商 FTEX 合作，將 650V GaN 功率設(shè)備集成到電動(dòng)滑板車(chē)系統(tǒng)中。與此同時(shí)，總部位于加州的 Transphorm 與汽車(chē)供應(yīng)商 Marelli 合作，提供車(chē)載充電和 DC/DC 轉(zhuǎn)換設(shè)備。

意法半導(dǎo)體預(yù)計(jì)將向雷諾提供其尚未通過(guò)汽車(chē)認(rèn)證的設(shè)備，用于電動(dòng)汽車(chē)應(yīng)用。EPC 目前提供符合汽車(chē)標(biāo)準(zhǔn)的低壓 GaN 器件，它正在與法國(guó)的 Brightloop 合作，為非公路和商用車(chē)輛開(kāi)發(fā)價(jià)格合理的電源轉(zhuǎn)換器。去年，德州儀器 (TI) 還對(duì)其 650-V GaN 器件進(jìn)行了汽車(chē)應(yīng)用認(rèn)證。

但隨著車(chē)載充電器和 DC/DC 細(xì)分市場(chǎng)的發(fā)展勢(shì)頭強(qiáng)勁，對(duì)于 GaN 而言，從字面上看，數(shù)十億美元的問(wèn)題是，該技術(shù)能否成為 EV 動(dòng)力總成的主逆變器，獲得與 SiC 技術(shù)相當(dāng)?shù)母弋a(chǎn)量？

早期的行業(yè)發(fā)展表明這是可能的。

2020 年 2 月，荷蘭Nexperia與英國(guó)顧問(wèn) Ricardo 合作開(kāi)發(fā)基于 GaN 的 EV 逆變器設(shè)計(jì)。該公告緊隨其后，以色列 VisIC Technologies 公司與德國(guó)汽車(chē)供應(yīng)商 ZF 合作開(kāi)發(fā)用于 400V 傳動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)用的 GaN 半導(dǎo)體。

然后，在 9 月，GaN Systems 與寶馬簽署了一項(xiàng)價(jià)值 1 億美元的協(xié)議，為這家德國(guó)汽車(chē)制造商的電動(dòng)汽車(chē)提供制造 GaN 功率器件的能力，這為 OEM 認(rèn)真對(duì)待 GaN 提供了確鑿的證據(jù)。

在另一個(gè)真正重要的發(fā)展中，Navitas 將通過(guò)與特殊目的收購(gòu)公司 Live Oak Acquisition 合并成為一家市值 10.4 億美元的上市公司。這家 GaN 功率 IC 廠商最近宣布，它將為總部位于瑞士的 Brusa HyPower 提供用于車(chē)載充電器和 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的器件。作為一家上市公司，它打算大力支持 EV/HEV 和其他市場(chǎng)的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。

除了這些交易、合作伙伴關(guān)系和合并之外，GaN 模塊的早期工作還表明，化合物半導(dǎo)體正在追隨 SiC 的腳步，行業(yè)參與者正在為更廣泛的行業(yè)整合做準(zhǔn)備。例如，GaN Systems 正在為設(shè)計(jì)工程師提供電源評(píng)估模塊套件，而 Transphorm 一直在與 Fujitsu General Electronics 合作開(kāi)發(fā)針對(duì)工業(yè)和汽車(chē)應(yīng)用的 GaN 模塊。

那么，SiC 和 GaN 的下一步是什么？隨著功率 SiC 器件制造商預(yù)期價(jià)值數(shù)十億美元的 EV 市場(chǎng)，GaN 會(huì)獲得同樣的成功嗎？在傳動(dòng)系統(tǒng)逆變器中廣泛采用 GaN 的 OEM 將從根本上影響市場(chǎng)預(yù)測(cè)。但眼下，我們只能拭目以待。