SiC 和 GaN：兩種半導(dǎo)體的發(fā)展

在過(guò)去的幾十年里，碳化硅和氮化鎵技術(shù)的進(jìn)步的特點(diǎn)是不斷發(fā)展、行業(yè)接受度不斷提高以及有望帶來(lái)數(shù)十億美元的收入。第一個(gè)商用 SiC 器件于 2001 年問(wèn)世，是德國(guó)英飛凌公司生產(chǎn)的肖特基二極管。隨后出現(xiàn)快速發(fā)展，預(yù)計(jì)到 2026 年該行業(yè)的產(chǎn)值將超過(guò) 40 億美元。

2010 年，當(dāng)美國(guó) EPC 推出其超快速開(kāi)關(guān)晶體管時(shí)，GaN 首次令業(yè)界驚嘆。市場(chǎng)采用率尚未與 SiC 相媲美，但到 2026 年，功率 GaN 收入可能會(huì)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。

Tesla 于 2017 年啟動(dòng)了 SiC 功率器件市場(chǎng)，成為第一家在 Model 3 中添加 SiC MOSFET 的汽車(chē)制造商。該器件源自意法半導(dǎo)體，與內(nèi)部主逆變器設(shè)計(jì)集成。其他汽車(chē)制造商也迅速跟進(jìn)，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)與日本 ROHM 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)將在其車(chē)輛中采用基于碳化硅的電力驅(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系列電動(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中國(guó)制造的SiC功率模塊。這些模塊使用 Wolfspeed 的 SiC 器件。

現(xiàn)代汽車(chē)將把英飛凌基于 SiC 的 800V 電池平臺(tái)功率模塊集成到電動(dòng)汽車(chē)中。在日本，豐田在其 Mirai 燃料電池電動(dòng)汽車(chē)中使用 Denso 的 SiC 升壓電源模塊。與此同時(shí)，通用汽車(chē)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)制造商采用 SiC 的速度較慢，但變化正在發(fā)生。 6月，雷諾和意法半導(dǎo)體聯(lián)手開(kāi)發(fā)用于電動(dòng)汽車(chē)和混合動(dòng)力汽車(chē)的碳化硅和氮化鎵器件。

對(duì)于 Wolfspeed、英飛凌、意法半導(dǎo)體、ROHM 和 Onsemi 來(lái)說(shuō)，汽車(chē) OEM 廠商也更愿意從多個(gè)來(lái)源購(gòu)買(mǎi)晶圓和器件，以確?？煽康墓?yīng)。考慮到中國(guó)和其他國(guó)家正在向碳化硅供應(yīng)鏈投入巨額資金，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。在元件層面，硅 IGBT 比 SiC 同類產(chǎn)品便宜得多，并且不會(huì)很快從電力應(yīng)用中消失。但一級(jí)制造商和原始設(shè)備制造商表示，將高功率密度碳化硅應(yīng)用到逆變器設(shè)計(jì)中，可以降低系統(tǒng)級(jí)成本，因?yàn)樾枰俚慕M件，從而節(jié)省了空間和重量。

但 GaN 又將何去何從呢？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)抱有濃厚的興趣，大部分有進(jìn)行開(kāi)發(fā)計(jì)劃。

更早之前GaN早有應(yīng)用

GaN 功率器件已應(yīng)用于小批量、高端光伏逆變器中，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。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)生產(chǎn)GaN功率IC。

鑒于這一活動(dòng)，預(yù)計(jì) 2021 年 GaN 功率器件收入將達(dá)到 1 億美元左右。但隨著 GaN 器件供應(yīng)商尋求進(jìn)入其他市場(chǎng)以提高銷量，這一數(shù)字預(yù)計(jì)到 2026 年將增至 10 億美元。EV/HEV市場(chǎng)是最先關(guān)注的。

GaN 在電動(dòng)汽車(chē)中的應(yīng)用還處于早期階段。許多功率 GaN 廠商已開(kāi)發(fā)出用于 EV/HEV 車(chē)載充電器和 DC/DC 轉(zhuǎn)換的 650V GaN 器件并獲得汽車(chē)認(rèn)證，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，加拿大的 GaN Systems 向美國(guó)電動(dòng)汽車(chē)初創(chuàng)公司 Canoo 提供車(chē)載充電器設(shè)備，并與加拿大電動(dòng)汽車(chē)電機(jī)驅(qū)動(dòng)供應(yīng)商 FTEX 合作，將 650V GaN 功率器件集成到電動(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)將向雷諾供應(yīng)其尚未通過(guò)汽車(chē)認(rèn)證的器件，用于電動(dòng)汽車(chē)應(yīng)用。 EPC 目前提供汽車(chē)級(jí)低壓 GaN 器件，并與法國(guó) Brightloop 合作，為非公路用車(chē)和商用車(chē)開(kāi)發(fā)經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的電源轉(zhuǎn)換器。去年，德州儀器 (TI) 還對(duì)其 650V 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 來(lái)說(shuō)，應(yīng)該關(guān)注的價(jià)值數(shù)十億美元的問(wèn)題是：該技術(shù)是否會(huì)成為電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)的主要逆變器，并獲得與 SiC 技術(shù)相當(dāng)?shù)捏@人高產(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的電動(dòng)汽車(chē)逆變器設(shè)計(jì)。該消息發(fā)布后，以色列 VisIC Technologies 迅速與德國(guó)汽車(chē)供應(yīng)商采埃孚 (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。

隨后，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，這有力地證明了 OEM 廠商對(duì) GaN 的重視。

另一項(xiàng)真正重大的進(jìn)展是，Navitas 將通過(guò)與特殊目的收購(gòu)公司 Live Oak Acquisition 合并，成為一家市值達(dá) 10.4 億美元的上市公司。這家 GaN 功率 IC 廠商最近宣布將向瑞士 Brusa HyPower 供應(yīng)車(chē)載充電器和 DC/DC 轉(zhuǎn)換器器件。作為一家上市公司，它打算重點(diǎn)支持電動(dòng)汽車(chē)/混合動(dòng)力汽車(chē)和其他市場(chǎng)的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。

除了這些交易、合作和合并之外，GaN 模塊的早期工作也表明化合物半導(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)整合做好準(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 一直與富士通通用電子公司合作開(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)計(jì)電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)將達(dá)到數(shù)十億美元，GaN 會(huì)取得同樣的成功嗎？在電動(dòng)汽車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)逆變器中廣泛采用 GaN 那會(huì)是 GaN 打入市場(chǎng)的機(jī)會(huì)點(diǎn)，但未來(lái)如何，我們目前只能拭目以待。

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