在過(guò)去的幾十年中，SiC（碳化硅）和GaN（氮化鎵）技術(shù)都呈現快速發(fā)展，并且正在被各行業(yè)所接受，有著(zhù)廣闊的市場(chǎng)前景。第一個(gè)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(yè)市場(chǎng)相關(guān)需求有望超過(guò) 40 億美元。
GaN 則是相對較新，2010 年首次亮相，當時(shí)美國 EPC 推出了其超快速開(kāi)關(guān)晶體管。市場(chǎng)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(shù)未來(lái)財富密碼都在電動(dòng)汽車(chē)和混合動(dòng)力汽車(chē)中。對于 SiC，EV/HEV 市場(chǎng)確實(shí)是最佳市場(chǎng)——預計市場(chǎng)營(yíng)收將超過(guò) 25 億美元。
寬帶隙半導體繼續在電源管理和其他汽車(chē)應用中取得進(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)自意法半導體，并與內部主逆變器設計集成。其他汽車(chē)制造商也迅速跟進(jìn)，包括現代、比亞迪、蔚來(lái)、通用汽車(chē)等。
中國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的電驅動(dòng)系統。與此同時(shí)，汽車(chē)制造商和半導體制造商比亞迪一直在為其全線(xiàn)電動(dòng)汽車(chē)開(kāi)發(fā)SiC模塊。
去年，中國電動(dòng)客車(chē)制造商宇通透露，它將在客車(chē)動(dòng)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(chē)將采用英飛凌的SiC功率模塊，實(shí)現其800V 電池平臺。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)電力電子設備供應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、奧迪和大眾預計很快將發(fā)布更多公告。
對于 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)源購買(mǎi)晶圓和設備，以確�？煽抗⿷�。中國和其他國家也正在向 SiC 供應鏈注入巨額資金。
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(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)計劃。
GaN的早期發(fā)展
GaN 功率器件已經(jīng)出現在小體積、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在內的一系列移動(dòng)設備的快速充電器上。事實(shí)上，愛(ài)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(chǎng)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(zhù) GaN 器件供應商尋求進(jìn)入其他市場(chǎng)以提高產(chǎn)量，預計到 2026 年這一數字將激增至 10 億美元，其中EV/HEV市場(chǎng)將是重點(diǎn)。
GaN 在電動(dòng)汽車(chē)中的應用還處于早期階段。許多功率 GaN 廠(chǎng)商已經(jīng)開(kāi)發(fā)了 650V GaN 器件并通過(guò)了認證，用于車(chē)載充電器和 EV/HEV 中的 DC/DC 轉換，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)電機驅動(dòng)供應商 FTEX 合作，將 650-V GaN 功率設備集成到電動(dòng)滑板車(chē)系統中。與此同時(shí)，總部位于加州的 Transphorm 與汽車(chē)供應商 Marelli 合作，提供車(chē)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(guò)目前尚未通過(guò)汽車(chē)級認證。EPC 目前提供符合汽車(chē)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(chē)輛開(kāi)發(fā)價(jià)格合理的電源轉換器。去年，德州儀器 (TI) 的車(chē)用 650V GaN 器件通過(guò)了認證。
但是，隨著(zhù)車(chē)載充電器和 DC/DC 細分市場(chǎng)的發(fā)展勢頭強勁，對于 GaN 而言，十億美元的市場(chǎng)容量，是否意味著(zhù)該技術(shù)可以成為電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力系統的主逆變器，從而獲得與 SiC 相當的市場(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 與英國顧問(wèn) Ricardo 合作開(kāi)發(fā)基于 GaN 的電動(dòng)汽車(chē)逆變器設計。以色列的 VisIC Technologies 公司與德國汽車(chē)供應商采埃孚合作，為 400-V 傳動(dòng)系統應用開(kāi)發(fā) GaN 半導體。
在 9 月，GaN Systems 與寶馬簽署了一項 價(jià)值1 億美元的協(xié)議，為這家德國汽車(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 GaN 認真對待的有力證據。
在另一個(gè)真正重要的發(fā)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(chē)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(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體正在追隨 SiC 的腳步，行業(yè)參與者正準備進(jìn)行更廣泛的行業(yè)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(kāi)發(fā)面向工業(yè)和汽車(chē)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(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)，GaN 會(huì )獲得SiC同樣的成功嗎？ OEM 在傳動(dòng)系統逆變器中廣泛采用 GaN 將從根本上影響市場(chǎng)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(shù)和市場(chǎng)分析師，專(zhuān)門(mén)研究化合物半導體和新興襯底；
– Ezgi Dogmus 是 Yole 電源與無(wú)線(xiàn)部門(mén)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(shù)和市場(chǎng)分析師，專(zhuān)門(mén)研究化合物半導體和新興襯底。
編譯自EETimes |
