SiC 和 GaN：两种半导体的功率器件发展

在过去的几十年中，碳化硅和氮化镓技术的进步一直以发展、行业接受度不断提高和有望实现数十亿美元收入为特征。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问世。随之而来的是快速发展，到 2026 年，工业部门现在有望超过 40 亿美元。

2010 年，当总部位于美国的 EPC 交付其超快速开关晶体管时，GaN 首次惊艳了整个行业。市场采用率尚未与 SiC 相匹配，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。对于 SiC 而言，EV/HEV 市场确实是最佳选择——预计超过 25 亿美元的市场中至少 60% 将来自该领域。

特斯拉于 2017 年启动了 SiC 功率器件市场，成为第一家在其 Model 3 中添加 SiC MOSFET 的汽车制造商。该器件来自意法半导体，集成了内部主逆变器设计。其他汽车制造商也迅速效仿，包括现代、比亚迪、蔚来、通用汽车等。

中国吉利汽车最近宣布，它正在与日本罗姆公司合作，为其电动汽车开发基于 SiC 的牵引逆变器。蔚来汽车是中国对特斯拉的回应，它将在其车辆中实施基于 SiC 的电驱动系统。与此同时，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 SiC 模块。

去年，中国电动客车制造商宇通透露，将在客车动力总成中使用 StarPower China 制造的 SiC 功率模块。这些模块使用Wolfspeed的 SiC 器件。

现代将把英飞凌用于 800V 电池平台的基于 SiC 的功率模块集成到电动汽车中。在日本，丰田正在其 Mirai 燃料电池电动汽车中使用电装的 SiC 增压功率模块。与此同时，通用汽车刚刚与 Wolfspeed 签约，为其电动汽车电力电子设备供应 SiC。

欧洲汽车制造商接受 SiC 的速度较慢，但变革正在进行中。6 月，雷诺和意法半导体联手开发用于 EV 和 HEV 的 SiC 和 GaN 器件。预计戴姆勒、奥迪和大众将很快发布更多公告。

对于 Wolfspeed、英飞凌、意法半导体、ROHM 和 Onsemi 而言，重要的是，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。考虑到中国和其他国家向 SiC 供应链投入的巨额资金，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。在组件级别，硅 IGBT 比 SiC 同等产品便宜得多，并且不会很快从电源应用中消失。但一级制造商和 OEM 表示，将高功率密度 SiC 应用到逆变器设计中，由于需要更少的组件而节省了空间和重量，从而降低了系统级的成本。

但这会给 GaN 带来什么影响?这种宽带隙半导体尚未见证 SiC 在电动汽车领域的成功。但由于其高频操作和效率，原始设备制造商要么对这项技术怀有浓厚的兴趣，要么正在进行开发计划。

早些年

GaN功率器件已经出现在小批量、高端的光伏逆变器中，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中。事实上，爱尔兰的 Navitas、美国的 Power Integrations 和中国的 Innoscience 都在为蓬勃发展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 功率器件的收入将达到 1 亿美元左右。但随着 GaN 器件供应商希望进入其他市场以提高产量，这一数字预计到 2026 年将增至 10 亿美元。而 EV/HEV市场是最先关注的。

在电动汽车中使用 GaN 还为时过早。许多功率 GaN 厂商已开发并通过自动认证的 650V GaN 器件，用于 EV/HEV 中的车载充电器和 DC/DC 转换，并已与汽车企业建立了无数合作伙伴关系。

例如，总部位于加拿大的 GaN Systems 向美国电动汽车初创公司 Canoo 提供其设备用于车载充电器，并且还与总部位于加拿大的 EV 电机驱动供应商 FTEX 合作，将 650-V GaN 功率设备集成到电动滑板车系统中。与此同时，总部位于加州的 Transphorm 与汽车供应商 Marelli 合作，提供车载充电和 DC/DC 转换设备。

意法半导体预计将向雷诺提供其尚未通过汽车认证的设备，用于电动汽车应用。EPC 目前提供符合汽车标准的低压 GaN 器件，它正在与法国的 Brightloop 合作，为非公路和商用车辆开发价格合理的电源转换器。去年，德州仪器 (TI) 还对其 650-V GaN 器件进行了汽车应用认证。

但随着车载充电器和 DC/DC 细分市场的发展势头强劲，对于 GaN 而言，从字面上看，数十亿美元的问题是，该技术能否成为 EV 动力总成的主逆变器，获得与 SiC 技术相当的高产量?

早期的行业发展表明这是可能的。

2020 年 2 月，荷兰Nexperia与英国顾问 Ricardo 合作开发基于 GaN 的 EV 逆变器设计。紧随该公告之后，以色列 VisIC Technologies 公司与德国汽车供应商 ZF 合作开发用于 400V 传动系统应用的 GaN 半导体。

然后，在 9 月，GaN Systems 与宝马签署了一项价值 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，这为 OEM 认真对待 GaN 提供了确凿的证据。

在另一个真正重要的发展中，Navitas 将通过与特殊目的收购公司 Live Oak Acquisition 合并成为一家市值 10.4 亿美元的上市公司。这家 GaN 功率 IC 厂商最近宣布，它将为总部位于瑞士的 Brusa HyPower 提供用于车载充电器和 DC/DC 转换器的器件。作为一家上市公司，它打算大力支持 EV/HEV 和其他市场的产品开发。

除了这些交易、合作伙伴关系和合并之外，GaN 模块的早期工作还表明，化合物半导体正在追随 SiC 的脚步，行业参与者正在为更广泛的行业整合做准备。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 Fujitsu General Electronics 合作开发针对工业和汽车应用的 GaN 模块。

那么，SiC 和 GaN 的下一步是什么?随着功率 SiC 器件制造商预期价值数十亿美元的 EV 市场，GaN 会获得同样的成功吗?在传动系统逆变器中广泛采用 GaN 的 OEM 将从根本上影响市场预测。但眼下，我们只能拭目以待。