SiC 和 GaN：两种半导体的发展

在过去的几十年里，碳化硅和氮化镓技术的进步的特点是不断发展、行业接受度不断提高以及有望带来数十亿美元的收入。第一个商用 SiC 器件于 2001 年问世，是德国英飞凌公司生产的肖特基二极管。随后出现快速发展，预计到 2026 年该行业的产值将超过 40 亿美元。

2010 年，当美国 EPC 推出其超快速开关晶体管时，GaN 首次令业界惊叹。市场采用率尚未与 SiC 相媲美，但到 2026 年，功率 GaN 收入可能会达到 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。

Tesla 于 2017 年启动了 SiC 功率器件市场，成为第一家在 Model 3 中添加 SiC MOSFET 的汽车制造商。该器件源自意法半导体，与内部主逆变器设计集成。其他汽车制造商也迅速跟进，包括现代、比亚迪、蔚来、通用汽车等。

中国吉利汽车与日本 ROHM 合作为其电动汽车开发基于 SiC 的牵引逆变器。蔚来汽车将在其车辆中采用基于碳化硅的电力驱动系统。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系列电动汽车开发 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中国制造的SiC功率模块。这些模块使用 Wolfspeed 的 SiC 器件。

现代汽车将把英飞凌基于 SiC 的 800V 电池平台功率模块集成到电动汽车中。在日本，丰田在其 Mirai 燃料电池电动汽车中使用 Denso 的 SiC 升压电源模块。与此同时，通用汽车与 Wolfspeed 签约，为其电动汽车电力电子设备供应 SiC。

欧洲汽车制造商采用 SiC 的速度较慢，但变化正在发生。 6月，雷诺和意法半导体联手开发用于电动汽车和混合动力汽车的碳化硅和氮化镓器件。

对于 Wolfspeed、英飞凌、意法半导体、ROHM 和 Onsemi 来说，汽车 OEM 厂商也更愿意从多个来源购买晶圆和器件，以确保可靠的供应。考虑到中国和其他国家正在向碳化硅供应链投入巨额资金，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。在元件层面，硅 IGBT 比 SiC 同类产品便宜得多，并且不会很快从电力应用中消失。但一级制造商和原始设备制造商表示，将高功率密度碳化硅应用到逆变器设计中，可以降低系统级成本，因为需要更少的组件，从而节省了空间和重量。

但 GaN 又将何去何从呢？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抱有浓厚的兴趣，大部分有进行开发计划。

更早之前GaN早有应用

GaN 功率器件已应用于小批量、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和中国的Innoscience都在为蓬勃发展的快速充电器市场生产GaN功率IC。

鉴于这一活动，预计 2021 年 GaN 功率器件收入将达到 1 亿美元左右。但随着 GaN 器件供应商寻求进入其他市场以提高销量，这一数字预计到 2026 年将增至 10 亿美元。EV/HEV市场是最先关注的。

GaN 在电动汽车中的应用还处于早期阶段。许多功率 GaN 厂商已开发出用于 EV/HEV 车载充电器和 DC/DC 转换的 650V GaN 器件并获得汽车认证，并已与汽车企业建立了无数合作伙伴关系。

例如，加拿大的 GaN Systems 向美国电动汽车初创公司 Canoo 提供车载充电器设备，并与加拿大电动汽车电机驱动供应商 FTEX 合作，将 650V GaN 功率器件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供应其尚未通过汽车认证的器件，用于电动汽车应用。 EPC 目前提供汽车级低压 GaN 器件，并与法国 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 650V 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 来说，应该关注的价值数十亿美元的问题是：该技术是否会成为电动汽车动力系统的主要逆变器，并获得与 SiC 技术相当的惊人高产量？

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的电动汽车逆变器设计。该消息发布后，以色列 VisIC Technologies 迅速与德国汽车供应商采埃孚 (ZF) 合作开发用于 400V 传动系统应用的 GaN 半导体。

随后，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，这有力地证明了 OEM 厂商对 GaN 的重视。

另一项真正重大的进展是，Navitas 将通过与特殊目的收购公司 Live Oak Acquisition 合并，成为一家市值达 10.4 亿美元的上市公司。这家 GaN 功率 IC 厂商最近宣布将向瑞士 Brusa HyPower 供应车载充电器和 DC/DC 转换器器件。作为一家上市公司，它打算重点支持电动汽车/混合动力汽车和其他市场的产品开发。

除了这些交易、合作和合并之外，GaN 模块的早期工作也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好准备。例如，GaN Systems 正在为设计工程师提供电源评估模块套件，而 Transphorm 一直与富士通通用电子公司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 器件制造商预计电动汽车市场将达到数十亿美元，GaN 会取得同样的成功吗？在电动汽车传动系统逆变器中广泛采用 GaN 那会是 GaN 打入市场的机会点，但未来如何，我们目前只能拭目以待。

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