SiC 和 GaN：兩種半導(dǎo)體的功率器件發(fā)展

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

2010 年，當(dāng)總部位于美國的 EPC 交付其超快速開關(guān)晶體管時，GaN 首次驚艷了整個行業(yè)。市場采用率尚未與 SiC 相匹配，但到 2026 年，功率 GaN 收入可能達到 10 億美元。

每種技術(shù)未來市場成功的秘訣在于電動和混合動力電動汽車。對于 SiC 而言，EV/HEV 市場確實是最佳選擇——預(yù)計超過 25 億美元的市場中至少 60% 將來自該領(lǐng)域。

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

中國吉利汽車最近宣布，它正在與日本羅姆公司合作，為其電動汽車開發(fā)基于 SiC 的牽引逆變器。蔚來汽車是中國對特斯拉的回應(yīng)，它將在其車輛中實施基于 SiC 的電驅(qū)動系統(tǒng)。與此同時，汽車制造商和半導(dǎo)體制造商比亞迪一直在為其全線電動汽車開發(fā) SiC 模塊。

去年，中國電動客車制造商宇通透露，將在客車動力總成中使用 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 電池平臺的基于 SiC 的功率模塊集成到電動汽車中。在日本，豐田正在其 Mirai 燃料電池電動汽車中使用電裝的 SiC 增壓功率模塊。與此同時，通用汽車剛剛與 Wolfspeed 簽約，為其電動汽車電力電子設(shè)備供應(yīng) SiC。

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

對于 Wolfspeed、英飛凌、意法半導(dǎo)體、ROHM 和 Onsemi 而言，重要的是，汽車 OEM 也更愿意從多個來源購買晶圓和設(shè)備，以確保可靠供應(yīng)。考慮到中國和其他國家向 SiC 供應(yīng)鏈投入的巨額資金，銷量只會繼續(xù)上升。

在此過程中，棘手的成本問題也正在得到解決。在組件級別，硅 IGBT 比 SiC 同等產(chǎn)品便宜得多，并且不會很快從電源應(yīng)用中消失。但一級制造商和 OEM 表示，將高功率密度 SiC 應(yīng)用到逆變器設(shè)計中，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)級的成本。

但這會給 GaN 帶來什么影響?這種寬帶隙半導(dǎo)體尚未見證 SiC 在電動汽車領(lǐng)域的成功。但由于其高頻操作和效率，原始設(shè)備制造商要么對這項技術(shù)懷有濃厚的興趣，要么正在進行開發(fā)計劃。

早些年

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

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

在電動汽車中使用 GaN 還為時過早。許多功率 GaN 廠商已開發(fā)并通過自動認證的 650V GaN 器件，用于 EV/HEV 中的車載充電器和 DC/DC 轉(zhuǎn)換，并已與汽車企業(yè)建立了無數(shù)合作伙伴關(guān)系。

例如，總部位于加拿大的 GaN Systems 向美國電動汽車初創(chuàng)公司 Canoo 提供其設(shè)備用于車載充電器，并且還與總部位于加拿大的 EV 電機驅(qū)動供應(yīng)商 FTEX 合作，將 650-V GaN 功率設(shè)備集成到電動滑板車系統(tǒng)中。與此同時，總部位于加州的 Transphorm 與汽車供應(yīng)商 Marelli 合作，提供車載充電和 DC/DC 轉(zhuǎn)換設(shè)備。

意法半導(dǎo)體預(yù)計將向雷諾提供其尚未通過汽車認證的設(shè)備，用于電動汽車應(yīng)用。EPC 目前提供符合汽車標準的低壓 GaN 器件，它正在與法國的 Brightloop 合作，為非公路和商用車輛開發(fā)價格合理的電源轉(zhuǎn)換器。去年，德州儀器 (TI) 還對其 650-V GaN 器件進行了汽車應(yīng)用認證。

但隨著車載充電器和 DC/DC 細分市場的發(fā)展勢頭強勁，對于 GaN 而言，從字面上看，數(shù)十億美元的問題是，該技術(shù)能否成為 EV 動力總成的主逆變器，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與英國顧問 Ricardo 合作開發(fā)基于 GaN 的 EV 逆變器設(shè)計。緊隨該公告之后，以色列 VisIC Technologies 公司與德國汽車供應(yīng)商 ZF 合作開發(fā)用于 400V 傳動系統(tǒng)應(yīng)用的 GaN 半導(dǎo)體。

然后，在 9 月，GaN Systems 與寶馬簽署了一項價值 1 億美元的協(xié)議，為這家德國汽車制造商的電動汽車提供制造 GaN 功率器件的能力，這為 OEM 認真對待 GaN 提供了確鑿的證據(jù)。

在另一個真正重要的發(fā)展中，Navitas 將通過與特殊目的收購公司 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 和其他市場的產(chǎn)品開發(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)整合做準備。例如，GaN Systems 正在為設(shè)計工程師提供電源評估模塊套件，而 Transphorm 一直在與 Fujitsu General Electronics 合作開發(fā)針對工業(yè)和汽車應(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)期價值數(shù)十億美元的 EV 市場，GaN 會獲得同樣的成功嗎?在傳動系統(tǒng)逆變器中廣泛采用 GaN 的 OEM 將從根本上影響市場預(yù)測。但眼下，我們只能拭目以待。