在過去的幾十年中，SiC（碳化硅）和GaN（氮化鎵）技術都呈現快速發展，并且正在被各行業所接受，有著廣闊的市場前景。第一個商用 SiC 器件是德國英飛凌公司2001年推出的肖特基二極管。預計到2026 年，工業市場相關需求有望超過 40 億美元。
GaN 則是相對較新，2010 年首次亮相，當時美國 EPC 推出了其超快速開關晶體管。市場采用率尚未達到 SiC 的水平，但到 2026 年，功率 GaN 收入也有可能達到 10 億美元。
兩項技術未來財富密碼都在電動汽車和混合動力汽車中。對于 SiC，EV/HEV 市場確實是最佳市場——預計市場營收將超過 25 億美元。
寬帶隙半導體繼續在電源管理和其他汽車應用中取得進展，電動汽車的車載充電器就是一個例子。
特斯拉于 2017 年啟動了 SiC 功率器件市場，當時它成為第一家將 SiC MOSFET 添加到其 Model 3 的汽車制造商。該器件來自意法半導體，并與內部主逆變器設計集成。其他汽車制造商也迅速跟進，包括現代、比亞迪、蔚來、通用汽車等。
中國吉利最近宣布正在與日本羅姆公司合作為其電動汽車提供基于 SiC 的牽引逆變器。蔚來則將在其車輛中采用基于SiC的電驅動系統。與此同時，汽車制造商和半導體制造商比亞迪一直在為其全線電動汽車開發SiC模塊。
去年，中國電動客車制造商宇通透露，它將在客車動力系統中使用斯達半導體制造的 SiC 功率模塊，這些模塊使用 Wolfspeed 的 SiC 器件。
現代汽車將采用英飛凌的SiC功率模塊，實現其800V 電池平臺。在日本，豐田正在其 Mirai 燃料電池汽車中使用來自 Denso 的 SiC 升壓功率模塊。通用汽車則剛剛與 Wolfspeed 簽約，為其電動汽車電力電子設備供應SiC。
歐洲汽車制造商接受 SiC 的速度較慢，但目前正在加速。 6 月，雷諾和意法半導體聯手開發用于電動汽車和混合動力汽車的 SiC 和 GaN 器件。戴姆勒、奧迪和大眾預計很快將發布更多公告。
對于 Wolfspeed、英飛凌、STMicroelectronics、ROHM 和 Onsemi 而言，重要的是，汽車 OEM 更愿意從多個來源購買晶圓和設備，以確保可靠供應。中國和其他國家也正在向 SiC 供應鏈注入巨額資金。
在此過程中，棘手的成本問題也正在得到解決。在組件級別，硅 IGBT 比同等的 SiC 便宜得多，并且不會很快消失。但Tier1和OEM均表示，將高功率密度 SiC 實施到逆變器設計中，由于需要更少的組件從而節省空間和重量，最終降低了系統級成本。
但這對 GaN 有何影響？這種寬帶隙半導體是否可以復制SiC在電動汽車領域的成功？由于其高頻操作和效率，OEM們也非常關注該技術，有些則正在進行實質開發計劃。
GaN的早期發展
GaN 功率器件已經出現在小體積、高端的光伏逆變器中，更多的則是越來越多地用于包括智能手機在內的一系列移動設備的快速充電器上。事實上，愛爾蘭的 Navitas、美國的 Power Integrations 和中國的英諾賽科都在為新興的快速充電器市場制造 GaN 功率 IC。
預計 2021 年 GaN 功率器件收入將達到 1 億美元左右。但隨著 GaN 器件供應商尋求進入其他市場以提高產量，預計到 2026 年這一數字將激增至 10 億美元，其中EV/HEV市場將是重點。
GaN 在電動汽車中的應用還處于早期階段。許多功率 GaN 廠商已經開發了 650V GaN 器件并通過了認證，用于車載充電器和 EV/HEV 中的 DC/DC 轉換，并且已經與汽車企業建立了大量的合作伙伴關系。
例如，加拿大的 GaN Systems 為美國電動汽車初創公司 Canoo 提供車載充電器，并且與加拿大電動汽車電機驅動供應商 FTEX 合作，將 650-V GaN 功率設備集成到電動滑板車系統中。與此同時，總部位于加州的 Transphorm 與汽車供應商 Marelli 合作，提供車載充電和 DC/DC 轉換設備。
意法半導體有望提供為雷諾提供GaN器件，不過目前尚未通過汽車級認證。EPC 目前提供符合汽車標準的低壓 GaN 器件，正在與總部位于法國的 Brightloop 合作，為非公路和商用車輛開發價格合理的電源轉換器。去年，德州儀器 (TI) 的車用 650V GaN 器件通過了認證。
但是，隨著車載充電器和 DC/DC 細分市場的發展勢頭強勁，對于 GaN 而言，十億美元的市場容量，是否意味著該技術可以成為電動汽車動力系統的主逆變器，從而獲得與 SiC 相當的市場份額？
早期的行業發展表明這是可能的。
2020 年 2 月，荷蘭 Nexperia 與英國顧問 Ricardo 合作開發基于 GaN 的電動汽車逆變器設計。以色列的 VisIC Technologies 公司與德國汽車供應商采埃孚合作，為 400-V 傳動系統應用開發 GaN 半導體。
在 9 月，GaN Systems 與寶馬簽署了一項 價值1 億美元的協議，為這家德國汽車制造商的電動汽車提供制造 GaN 功率器件的能力，這提供了 OEM 對 GaN 認真對待的有力證據。
在另一個真正重要的發展中，Navitas與特殊目的收購公司 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 供應用于車載充電器和 DC/DC 轉換器的設備。作為一家上市公司，它打算大力支持EV/HEV和其他市場的產品開發。
除了這些交易、合作伙伴關系之外的新聞，GaN 模塊的早期工作也表明化合物半導體正在追隨 SiC 的腳步，行業參與者正準備進行更廣泛的行業整合。例如，GaN Systems 正在為設計工程師提供電源評估模塊套件，而 Transphorm 一直在與富士通合作開發面向工業和汽車應用的 GaN 模塊。
那么，SiC 和 GaN 的下一步是什么？在數十億美元的電動汽車市場，GaN 會獲得SiC同樣的成功嗎？ OEM 在傳動系統逆變器中廣泛采用 GaN 將從根本上影響市場預測。但眼下，我們只能拭目以待。
本文作者：
– Ahmed Ben Slimane 是 Yole Développement 的技術和市場分析師，專門研究化合物半導體和新興襯底；
– Ezgi Dogmus 是 Yole 電源與無線部門化合物半導體和新興基板的團隊首席分析師；
– Poshun Chiu 是 Yole 技術和市場分析師，專門研究化合物半導體和新興襯底。
編譯自EETimes |
