在過(guò)去的幾十年中，SiC（碳化硅）和GaN（氮化鎵）技術(shù)都呈現(xiàn)快速發(fā)展，并且正在被各行業(yè)所接受，有著廣闊的市場(chǎng)前景。第一個(gè)商用 SiC 器件是德國(guó)英飛凌公司2001年推出的肖特基二極管。預(yù)計(jì)到2026 年，工業(yè)市場(chǎng)相關(guān)需求有望超過(guò) 40 億美元。

GaN 則是相對(duì)較新，2010 年首次亮相，當(dāng)時(shí)美國(guó) EPC 推出了其超快速開(kāi)關(guān)晶體管。市場(chǎng)采用率尚未達(dá)到 SiC 的水平，但到 2026 年，功率 GaN 收入也有可能達(dá)到 10 億美元。

兩項(xiàng)技術(shù)未來(lái)財(cái)富密碼都在電動(dòng)汽車(chē)和混合動(dòng)力汽車(chē)中。對(duì)于 SiC，EV/HEV 市場(chǎng)確實(shí)是最佳市場(chǎng)——預(yù)計(jì)市場(chǎng)營(yíng)收將超過(guò) 25 億美元。

寬帶隙半導(dǎo)體繼續(xù)在電源管理和其他汽車(chē)應(yīng)用中取得進(jìn)展，電動(dòng)汽車(chē)的車(chē)載充電器就是一個(gè)例子。

特斯拉于 2017 年啟動(dòng)了 SiC 功率器件市場(chǎng)，當(dāng)時(shí)它成為第一家將 SiC MOSFET 添加到其 Model 3 的汽車(chē)制造商。該器件來(lái)自意法半導(dǎo)體，并與內(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)吉利最近宣布正在與日本羅姆公司合作為其電動(dòng)汽車(chē)提供基于 SiC 的牽引逆變器。蔚來(lái)則將在其車(chē)輛中采用基于SiC的電驅(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線電動(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，它將在客車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)中使用斯達(dá)半導(dǎo)體制造的 SiC 功率模塊，這些模塊使用 Wolfspeed 的 SiC 器件。

現(xiàn)代汽車(chē)將采用英飛凌的SiC功率模塊，實(shí)現(xiàn)其800V 電池平臺(tái)。在日本，豐田正在其 Mirai 燃料電池汽車(chē)中使用來(lái)自 Denso 的 SiC 升壓功率模塊。通用汽車(chē)則剛剛與 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)制造商接受 SiC 的速度較慢，但目前正在加速。 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 SiC 和 GaN 器件。戴姆勒、奧迪和大眾預(yù)計(jì)很快將發(fā)布更多公告。

對(duì)于 Wolfspeed、英飛凌、STMicroelectronics、ROHM 和 Onsemi 而言，重要的是，汽車(chē) OEM 更愿意從多個(gè)來(lái)源購(gòu)買(mǎi)晶圓和設(shè)備，以確保可靠供應(yīng)。中國(guó)和其他國(guó)家也正在向 SiC 供應(yīng)鏈注入巨額資金。

在此過(guò)程中，棘手的成本問(wèn)題也正在得到解決。在組件級(jí)別，硅 IGBT 比同等的 SiC 便宜得多，并且不會(huì)很快消失。但Tier1和OEM均表示，將高功率密度 SiC 實(shí)施到逆變器設(shè)計(jì)中，由于需要更少的組件從而節(jié)省空間和重量，最終降低了系統(tǒng)級(jí)成本。

但這對(duì) GaN 有何影響？這種寬帶隙半導(dǎo)體是否可以復(fù)制SiC在電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域的成功？由于其高頻操作和效率，OEM們也非常關(guān)注該技術(shù)，有些則正在進(jìn)行實(shí)質(zhì)開(kāi)發(fā)計(jì)劃。

GaN的早期發(fā)展

GaN 功率器件已經(jīng)出現(xiàn)在小體積、高端的光伏逆變器中，更多的則是越來(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)備的快速充電器上。事實(shí)上，愛(ài)爾蘭的 Navitas、美國(guó)的 Power Integrations 和中國(guó)的英諾賽科都在為新興的快速充電器市場(chǎng)制造 GaN 功率 IC。

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)以提高產(chǎn)量，預(yù)計(jì)到 2026 年這一數(shù)字將激增至 10 億美元，其中EV/HEV市場(chǎng)將是重點(diǎn)。

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 廠商已經(jīng)開(kāi)發(fā)了 650V GaN 器件并通過(guò)了認(rèn)證，用于車(chē)載充電器和 EV/HEV 中的 DC/DC 轉(zhuǎn)換，并且已經(jīng)與汽車(chē)企業(yè)建立了大量的合作伙伴關(guān)系。

例如，加拿大的 GaN Systems 為美國(guó)電動(dòng)汽車(chē)初創(chuàng)公司 Canoo 提供車(chē)載充電器，并且與加拿大電動(dòng)汽車(chē)電機(jī)驅(qū)動(dòng)供應(yīng)商 FTEX 合作，將 650-V GaN 功率設(shè)備集成到電動(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)體有望提供為雷諾提供GaN器件，不過(guò)目前尚未通過(guò)汽車(chē)級(jí)認(rèn)證。EPC 目前提供符合汽車(chē)標(biāo)準(zhǔn)的低壓 GaN 器件，正在與總部位于法國(guó)的 Brightloop 合作，為非公路和商用車(chē)輛開(kāi)發(fā)價(jià)格合理的電源轉(zhuǎn)換器。去年，德州儀器 (TI) 的車(chē)用 650V GaN 器件通過(guò)了認(rèn)證。

但是，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 而言，十億美元的市場(chǎng)容量，是否意味著該技術(shù)可以成為電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)的主逆變器，從而獲得與 SiC 相當(dāng)?shù)氖袌?chǎng)份額？

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)。以色列的 VisIC Technologies 公司與德國(guó)汽車(chē)供應(yīng)商采埃孚合作，為 400-V 傳動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)用開(kāi)發(fā) GaN 半導(dǎo)體。

在 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，這提供了 OEM 對(duì) GaN 認(rèn)真對(duì)待的有力證據(jù)。

在另一個(gè)真正重要的發(fā)展中，Navitas與特殊目的收購(gòu)公司 Live Oak Acquisition 合并并成功在Nasdaq上市。Navitas最近宣布將向總部位于瑞士的 Brusa HyPower 供應(yīng)用于車(chē)載充電器和 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的設(shè)備。作為一家上市公司，它打算大力支持EV/HEV和其他市場(chǎng)的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。

除了這些交易、合作伙伴關(guān)系之外的新聞，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)參與者正準(zhǔn)備進(jìn)行更廣泛的行業(yè)整合。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 一直在與富士通合作開(kāi)發(fā)面向工業(yè)和汽車(chē)應(yīng)用的 GaN 模塊。

那么，SiC 和 GaN 的下一步是什么？在數(shù)十億美元的電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)，GaN 會(huì)獲得SiC同樣的成功嗎？ OEM 在傳動(dòng)系統(tǒng)逆變器中廣泛采用 GaN 將從根本上影響市場(chǎng)預(yù)測(cè)。但眼下，我們只能拭目以待。

本文作者：

– Ahmed Ben Slimane 是 Yole Développement 的技術(shù)和市場(chǎng)分析師，專門(mén)研究化合物半導(dǎo)體和新興襯底；
– Ezgi Dogmus 是 Yole 電源與無(wú)線部門(mén)化合物半導(dǎo)體和新興基板的團(tuán)隊(duì)首席分析師；
– Poshun Chiu 是 Yole 技術(shù)和市場(chǎng)分析師，專門(mén)研究化合物半導(dǎo)體和新興襯底。

編譯自EETimes