SiC 和 GaN：两种半导体的故事以及以后发展的预测

在过去的几十年里，碳化硅和氮化镓技术的进步以发展、行业接受度的提高和有望带来数十亿美元的收入为特征。第一个商用 SiC 器件于 2001 年以德国英飞凌的肖特基二极管形式问世。随之而来的是快速发展，到 2026 年，该行业有望超过 40 亿美元。

GaN 于 2010 年首次震惊了整个行业，当时总部位于美国的 Efficient Power Conversion (EPC) 推出了其超快速开关晶体管。市场采用率尚未与 SiC 相提并论，但到 2026 年，功率 GaN 收入可能达到 10 亿美元以上。

每种技术未来在市场上取得成功的秘诀在于电动汽车和混合动力电动汽车。对于 SiC，EV/HEV 市场确实是最佳选择;预计超过 30 亿美元的市场中至少有 60% 来自该行业。

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汽车(Model 3)中使用 SiC MOSFET 的汽车制造商。该设备来自 STMicroelectronics，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。

中国的吉利汽车最近宣布，它正在与 Rohm Japan 合作为其电动汽车开发基于 SiC 的牵引逆变器。NIO，中国对特斯拉的回应，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整个电动汽车系列开发 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星能中国制造的碳化硅功率模块。这些模块使用 Wolfspeed 的 SiC 器件。

现代汽车将把英飞凌用于 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 Denso 的 SiC 升压电源模块。通用汽车已与 Wolfspeed 签约，为其 EV 电力电子设备供应 SiC。

欧洲汽车制造商采用SiC的速度较慢，但变化正在发生。6 月，雷诺和 STMicroelectronics 联手开发用于 EV 和 HEV 的 SiC 和 GaN 器件。戴姆勒、奥迪和大众预计很快会发布更多公告。

对于 Wolfspeed、Infineon、STMicroelectronics、Rohm 和 onsemi 来说重要的是，汽车 OEM 也更愿意从多个来源购买晶圆和设备，以确保可靠的供应。考虑到中国和其他国家正在向SiC供应链投入大量资金，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 同类产品便宜得多，并且不会很快从电源应用中消失。但是一级制造商和原始设备制造商表示，例如，在逆变器设计中实施高功率密度 SiC 可以降低系统级成本，因为该设计将需要更少的组件，从而节省空间和重量。

但这对GaN有何影响?这种宽带隙半导体尚未见证 SiC 在电动汽车领域的成功。但由于其高频运行和高效率，原始设备制造商要么对该技术怀有浓厚兴趣，要么正在制定开发计划。

早些年

GaN 功率器件已经可以在小批量、高端光伏逆变器中找到，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 Semiconductor、美国的 Power Integrations 和中国的 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，GaN功率器件的收入预计将在 2021 年达到约 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 年这一数字将增至 10 亿美元。而 EV /HEV市场首当其冲。

电动汽车中的 GaN 还处于早期阶段。许多功率 GaN 厂商已经开发出用于 EV/HEV 车载充电器和 DC/DC 转换的 650V GaN 器件并通过了汽车认证，并且已经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 EV 初创公司 Canoo 供应其用于车载充电器的设备，并且还与总部位于加拿大的 EV 电机驱动器供应商 FTEX 合作，将 650-V GaN 功率设备集成到电动踏板车系统中。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。

STMicroelectronics 有望为雷诺电动汽车应用提供尚未通过汽车认证的器件。目前提供汽车级低压 GaN 器件的 EPC 正与总部位于法国的 Brightloop 合作，为非公路用车和商用车开发经济实惠的电源转换器。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越来越强劲，对于 GaN 来说，价值数十亿美元的问题毫不夸张地说是：该技术能否成为电动汽车动力总成的主逆变器，获得与 SiC 技术相当的惊人销量?

早期的行业发展表明这是可能的。

2020 年 2 月，荷兰的 Nexperia 与英国顾问 Ricardo 合作开发了基于 GaN 的 EV 逆变器设计。紧接着，以色列的 VisIC Technologies 与德国汽车供应商 ZF 合作开发用于 400-V 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，为德国汽车制造商的电动汽车提供 GaN 功率器件的制造能力，这有力地证明了原始设备制造商对 GaN 的重视。

另一个真正重要的进展是，通过与特殊目的收购公司 Live Oak Acquisition 合并，Navitas 将成为一家市值达 10.4 亿美元的上市公司。这家 GaN 功率 IC 厂商最近宣布将为总部位于瑞士的 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，它打算将重点放在 EV/HEV 和其他市场的产品开发上。

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功率评估模块套件，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?随着功率SiC器件制造商预计电动汽车市场将达到数十亿美元，GaN 是否会取得同样的成功?OEM 在动力传动系统逆变器中广泛采用 GaN 将从根本上影响市场预测。但眼下，我们只能拭目以待。