碳化硅和氮化镓:两种半导体的故事

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在过去的几十年中,全球SiC 和 GaN领域的特点是发展、行业接受度不断提高以及有望实现数十亿美元的收入。第一个商用 SiC 器件于 2001 年以德国英飞凌的肖特基二极管的形式出现。随之而来的是快速发展,到 2026 年,这个行业部门现在有望达到超过 40 亿美元的市场。

与此同时,GaN 于 2010 年首次让行业权威人士惊叹,当时美国 EPC 推出了其超快速开关晶体管。市场采用率尚未达到 SiC 的水平,但到 2026 年,功率 GaN 收入可能达到 10 亿美元。

每种技术未来市场成功的秘诀在于电动和混合动力电动汽车 (EV/HEV)。事实上,对于 SiC,EV/HEV 市场目前确实是最佳市场——预计至少 60% 的总市场(收入超过 $2.5B 收入)将来自该领域。

特斯拉于 2017 年启动了 SiC 功率器件市场,当时它成为第一家在其 Model 3 的内部主逆变器设计中添加来自意法半导体的 SiC MOSFET 的汽车制造商。足迹,包括现代、比亚迪、蔚来、通用汽车等。

例如,中国的吉利汽车最近宣布正在与日本罗姆公司合作为其电动汽车提供基于 SiC 的牵引逆变器,而中国对特斯拉的回应——蔚来汽车将在其车辆中实施基于 SiC 的电驱动系统。与此同时,OEM汽车制造商和半导体制造商比亚迪一直在为其全线电动汽车开发碳化硅模块。

此外,就在去年,中国电动客车制造商宇通透露将在其客车的动力系统中使用中国 StarPower 制造的 SiC 功率模块。这些模块使用来自美国 Wolfspeed 的 SiC 器件。

在韩国,现代汽车已将英飞凌基于 SiC 的功率模块用于其电动汽车的 800 V 电池平台,而在日本,丰田则在其 Mirai 燃料电池电动汽车中使用 Denso 的 SiC 升压功率模块。在美国,通用汽车公司刚刚与 Wolfspeed 签约,为其电动汽车电力电子设备供应碳化硅。

欧洲讲述了一个不同的故事,汽车制造商接受 SiC 的速度较慢,但变化正在进行中。今年 6 月,雷诺和意法半导体联手为电动汽车和混合动力汽车开发 SiC 和 GaN 器件,预计戴姆勒、奥迪和大众汽车将很快发布更多公告。

重要的是,对于 Wolfspeed、英飞凌、意法半导体、ROHM 和 Onsemi 等公司而言,汽车 OEM 也更愿意从多个来源购买晶圆和设备以确保可靠供应。考虑到中国和越来越多的其他国家正在向 SiC 供应链注入巨额资金,销量只会继续上升。

在此过程中,棘手的成本问题也正在得到解决。毫无疑问,在组件级别,硅 IGBT 比等效的 SiC 便宜得多,并且不会很快从电源应用中消失。但一级制造商和原始设备制造商表示,将高功率密度 SiC 实施到逆变器设计中,可以在系统级降低成本,这要归功于可能因需要更少的组件而节省空间和重量。

但这对 GaN 有何影响?这种宽带隙半导体尚未见证 SiC 在 EV/HEV 领域的成功,但由于其高频操作和效率,原始设备制造商要么以浓厚的兴趣关注该技术,要么正在进行开发计划。

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功率 SiC 器件市场预测

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功率 GaN 器件市场预测

早些年

GaN 功率器件已经出现在小体积的高端光伏逆变器中,并且越来越多地用于包括智能手机在内的一系列移动设备的快速充电器。事实上,爱尔兰的 Navitas、美国的 Power IntegraTIons 以及中国的 Innoscience 都在为新兴的快速充电器市场制造 GaN 功率 IC。

鉴于这一活动,预计 2021 年 GaN 功率器件收入将达到约 1 亿美元。但随着 GaN 器件供应商寻求进入其他市场以提高产量,预计到 2026 年这一数字将激增至 10 亿美元。以及 EV/HEV市场是最先观察的。

GaN 在电动汽车中的应用还处于早期阶段。许多功率 GaN 厂商已经开发并自动认证了 650 V GaN 设备,用于车载充电器和 EV/HEV 中的 DC/DC 转换,并且已经与汽车企业建立了无数的合作伙伴关系。

例如,加拿大的 GaN Systems 为美国电动汽车初创公司 Canoo 提供车载充电器设备,还与加拿大电动汽车电机驱动供应商 FTEX 合作,将 650V GaN 功率设备集成到电子系统滑板车。同时,美国Transphorm与汽车供应商Marelli合作,提供车载充电和DC/DC转换设备。

STMicroelectronics 预计将向雷诺提供其尚未通过汽车认证的 EV 应用设备,而现在提供汽车认证的低压 GaN 的 EPC 正在与总部位于法国的 Brightloop 合作开发价格合理的电源转换器,用于关闭公路和商用车。去年,德州仪器 (TI) 还对其用于汽车应用的 650V GaN 器件进行了认证。

但是,随着车载充电器和 DC/DC 细分市场的发展势头强劲,对于 GaN 而言,这个 10 亿美元的问题实际上是该技术是否将其应用于 EV/HEV 动力系统的主逆变器,并获得惊人的高产量和高收入那个 SiC 开始看到了?早期的行业发展表明这是可能的。

去年 2 月,荷兰 Nexperia 与英国顾问 Ricardo 合作,开发基于 GaN 的电动汽车逆变器设计。以色列的 VisIC Technologies 公司迅速与德国汽车供应商 ZF 合作,为 400 V 传动系统应用开发 GaN 半导体。

然后,在今年 9 月,GaN Systems 与宝马签署了 1 亿美元的协议,为这家德国汽车制造商的电动汽车提供制造 GaN 功率器件的能力,这有力地证明了 OEM 对 GaN 的重视。真正意义重大的一步是,纳微将与特殊目的收购公司 Live Oak AcquisiTIon 合并,成为市值 10.4 亿美元的上市公司。这家 GaN 电源 IC 厂商最近宣布将向总部位于瑞士的 Brusa HyPower 供应用于车载充电器和 DC/DC 转换器的设备,作为一家上市公司,该公司打算将其重心放在电动汽车/混合动力汽车和其他市场的产品开发上。

除了交易、合作伙伴关系和合并之外,GaN 模块的早期工作还表明,这种化合物半导体正在追随 SiC 的脚步,行业参与者正准备进行更广泛的行业整合。例如,GaN Systems 正在为设计工程师提供电源评估模块套件,而 Transphorm 一直在与富士通通用电子合作开发面向工业和汽车应用的 GaN 模块。

那么,SiC 和 GaN 的下一步是什么?作为功率 SiC 器件制造商为电动汽车/混合动力汽车带来的数十亿美元市场做好准备,GaN 会经历同样的成功故事吗?OEM 在传动系统逆变器中广泛采用 GaN 将从根本上影响市场预测,但现在,我们只能拭目以待。  

      审核编辑:彭静

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