SiC 和 GaN：兩種半導體的故事以及以后發(fā)展的預測

在過去的幾十年里，碳化硅和氮化鎵技術(shù)的進步以發(fā)展、行業(yè)接受度的提高和有望帶來數(shù)十億美元的收入為特征。第一個商用 SiC 器件于 2001 年以德國英飛凌的肖特基二極管形式問世。隨之而來的是快速發(fā)展，到 2026 年，該行業(yè)有望超過 40 億美元。

GaN 于 2010 年首次震驚了整個行業(yè)，當時總部位于美國的 Efficient Power Conversion (EPC) 推出了其超快速開關(guān)晶體管。市場采用率尚未與 SiC 相提并論，但到 2026 年，功率 GaN 收入可能達到 10 億美元以上。

每種技術(shù)未來在市場上取得成功的秘訣在于電動汽車和混合動力電動汽車。對于 SiC，EV/HEV 市場確實是最佳選擇;預計超過 30 億美元的市場中至少有 60% 來自該行業(yè)。

特斯拉于 2017 年啟動了 SiC 功率器件市場，當時它成為第一家在汽車(Model 3)中使用 SiC MOSFET 的汽車制造商。該設(shè)備來自 STMicroelectronics，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。

中國的吉利汽車最近宣布，它正在與 Rohm Japan 合作為其電動汽車開發(fā)基于 SiC 的牽引逆變器。NIO，中國對特斯拉的回應(yīng)，將在其車輛中實施基于 SiC 的電驅(qū)動系統(tǒng)。與此同時，汽車制造商和半導體制造商比亞迪一直在為其整個電動汽車系列開發(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星能中國制造的碳化硅功率模塊。這些模塊使用 Wolfspeed 的 SiC 器件。

現(xiàn)代汽車將把英飛凌用于 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 Denso 的 SiC 升壓電源模塊。通用汽車已與 Wolfspeed 簽約，為其 EV 電力電子設(shè)備供應(yīng) SiC。

歐洲汽車制造商采用SiC的速度較慢，但變化正在發(fā)生。6 月，雷諾和 STMicroelectronics 聯(lián)手開發(fā)用于 EV 和 HEV 的 SiC 和 GaN 器件。戴姆勒、奧迪和大眾預計很快會發(fā)布更多公告。

對于 Wolfspeed、Infineon、STMicroelectronics、Rohm 和 onsemi 來說重要的是，汽車 OEM 也更愿意從多個來源購買晶圓和設(shè)備，以確?？煽康墓?yīng)?？紤]到中國和其他國家正在向SiC供應(yīng)鏈投入大量資金，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 同類產(chǎn)品便宜得多，并且不會很快從電源應(yīng)用中消失。但是一級制造商和原始設(shè)備制造商表示，例如，在逆變器設(shè)計中實施高功率密度 SiC 可以降低系統(tǒng)級成本，因為該設(shè)計將需要更少的組件，從而節(jié)省空間和重量。

但這對GaN有何影響?這種寬帶隙半導體尚未見證 SiC 在電動汽車領(lǐng)域的成功。但由于其高頻運行和高效率，原始設(shè)備制造商要么對該技術(shù)懷有濃厚興趣，要么正在制定開發(fā)計劃。

早些年

GaN 功率器件已經(jīng)可以在小批量、高端光伏逆變器中找到，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 Semiconductor、美國的 Power Integrations 和中國的 Innoscience 都在為新興的快速充電器市場制造 GaN 功率 IC。

鑒于這一活動，GaN功率器件的收入預計將在 2021 年達到約 1 億美元。但隨著 GaN 器件供應(yīng)商尋求進入其他市場以提高產(chǎn)量，預計到 2026 年這一數(shù)字將增至 10 億美元。而 EV /HEV市場首當其沖。

電動汽車中的 GaN 還處于早期階段。許多功率 GaN 廠商已經(jīng)開發(fā)出用于 EV/HEV 車載充電器和 DC/DC 轉(zhuǎn)換的 650V GaN 器件并通過了汽車認證，并且已經(jīng)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 EV 初創(chuàng)公司 Canoo 供應(yīng)其用于車載充電器的設(shè)備，并且還與總部位于加拿大的 EV 電機驅(qū)動器供應(yīng)商 FTEX 合作，將 650-V GaN 功率設(shè)備集成到電動踏板車系統(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。

STMicroelectronics 有望為雷諾電動汽車應(yīng)用提供尚未通過汽車認證的器件。目前提供汽車級低壓 GaN 器件的 EPC 正與總部位于法國的 Brightloop 合作，為非公路用車和商用車開發(fā)經(jīng)濟實惠的電源轉(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)展勢頭越來越強勁，對于 GaN 來說，價值數(shù)十億美元的問題毫不夸張地說是：該技術(shù)能否成為電動汽車動力總成的主逆變器，獲得與 SiC 技術(shù)相當?shù)捏@人銷量?

早期的行業(yè)發(fā)展表明這是可能的。

2020 年 2 月，荷蘭的 Nexperia 與英國顧問 Ricardo 合作開發(fā)了基于 GaN 的 EV 逆變器設(shè)計。緊接著，以色列的 VisIC Technologies 與德國汽車供應(yīng)商 ZF 合作開發(fā)用于 400-V 傳動系統(tǒng)應(yīng)用的 GaN 半導體。

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，為德國汽車制造商的電動汽車提供 GaN 功率器件的制造能力，這有力地證明了原始設(shè)備制造商對 GaN 的重視。

另一個真正重要的進展是，通過與特殊目的收購公司 Live Oak Acquisition 合并，Navitas 將成為一家市值達 10.4 億美元的上市公司。這家 GaN 功率 IC 廠商最近宣布將為總部位于瑞士的 Brusa HyPower 供應(yīng)用于車載充電器和 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的設(shè)備。作為一家上市公司，它打算將重點放在 EV/HEV 和其他市場的產(chǎn)品開發(fā)上。

除了這些交易、合作伙伴關(guān)系和合并之外， GaN模塊的早期工作表明化合物半導體正在追隨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)計工程師提供功率評估模塊套件，而 Transphorm 一直在與富士通通用電子合作開發(fā)面向工業(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器件制造商預計電動汽車市場將達到數(shù)十億美元，GaN 是否會取得同樣的成功?OEM 在動力傳動系統(tǒng)逆變器中廣泛采用 GaN 將從根本上影響市場預測。但眼下，我們只能拭目以待。