SiC 和 GaN的汽车机遇

2024-06-18 01:06

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来源：内容由半导体行业观察（ID：icbank）编译自IDTechEx，谢谢。

2008 年，碳化硅 (SiC) MOSFET 的商业化标志着功率半导体市场的一个重要转折点，代表了该市场几十年来的首次重大发展。2017 年特斯拉 Model 3 率先在电动汽车 (EV) 中采用了这项技术。SiC MOSFET 是一种具有高功率密度、更高效率且不易受高温影响的晶体管。这为电动汽车 (EV) 带来了诸多好处，包括续航里程更长、充电速度更快，甚至可能降低电动汽车 (BEV) 的成本。

在电动汽车的电力电子领域，过去 5 年，特斯拉和现代等 OEM 的汽车中 SiC MOSFET 的采用量出现了惊人的增长。事实上， IDTechEx 的研究发现，到 2023 年，SiC 逆变器将占据 BEV 市场的 28%。GaN HEMT 是一种新兴技术，可能会成为电动汽车市场的下一个主要颠覆者。它们具有关键的效率优势，但在采用方面面临着重大挑战，例如其最终的功率处理能力。

SiC MOSFET 和 GaN HEMT 之间存在相当大的重叠，两者都将在汽车功率半导体市场占有一席之地。考虑到权衡利弊，我们将在电力电子市场看到 SiC 和 GaN 占据什么位置？

据IDTechEx 预计，到 2035 年该市场规模将增长到 360 亿美元。

未来十年，电动汽车 (EV) 的需求将快速增长，而电动汽车电力电子市场的增长速度将更快。为了解决消费者对纯电动汽车 (BEV) 与内燃机汽车相比的担忧，汽车 OEM 正在寻找增加续航里程和加快充电速度的方法。除了电池和电机技术外，宽带隙 (WBG) 半导体、碳化硅 (SiC) 和氮化镓 (GaN) 都有可能彻底改变电动汽车动力系统，以 800V 架构和显著的效率提升取代现有的硅 (Si) IGBT 和 MOSFET。

SiC 拥有从原材料到晶圆、从加工技术到器件封装的成熟供应链。但这并不意味着 SiC 供应链没有发展空间。SiC 晶圆供应领域由美国公司主导，OEM 正在寻求多源 SiC 以保证供应和成本。从 150 毫米到 200 毫米 SiC 晶圆的转变将显著提高生产能力，这对汽车行业至关重要。此外，随着欧洲和亚洲的公司扩大晶圆业务，SiC 供应链的全球化也在不断推进。

尽管过去 5 年 SiC MOSFET 的价格大幅下降，但其价格仍将高于 Si IGBT。这是由于基础设施要求、SiC 晶圆价格高得多以及能源密集型加工步骤。IDTechEx 对在电动汽车中实施 SiC MOSFET 进行了成本分析，研究了设备和车辆层面的影响。整个供应链都在进行合作：OEM 正在从其他公司借用电动汽车平台，设备制造商正在研究提高产量的创新方法，供应商正在收购其他公司以进行垂直整合并加强其供应链控制。OEM 正在与汽车半导体供应商合作，以充分利用其动力系统。

OBC 和 DC-DC 转换器的运行功率比逆变器低一个数量级，但 SiC MOSFET 的优势仍然存在：功率密度更高、损耗减少、续航里程略有增加。此外，OBC 中的 SiC 可实现更快的充电速度，而 DC-DC 转换器中的 SiC 可更高效地将电力传输到低压电池，从而减少电动汽车中耗电辅助设备（信息娱乐、热泵、前灯）的浪费。这推动了 OBC 和 DC-DC 转换器采用 SiC MOSFET，而较低的功率要求意味着 IDTechEx 预测 GaN 将比逆变器更早进入该市场。

SiC 和 GaN 都是宽带隙 (WBG) 半导体。由于 GaN 的带隙比 SiC 更宽，因此理论上 GaN 的效率优势可能会超过 SiC。Si IGBT 开关频率的绝对上限为 100kHz。对于 SiC，这增加了一个数量级，达到约 1MHz，而 GaN 可以提高十倍甚至更高，达到 10MHz。

然而，这只是故事的一个方面，GaN在电力电子领域的应用还存在一些门槛。首先，由于开关频率超高，工程师需要解决多个技术问题，如EMI（电磁干扰）、栅极控制、寄生效应、热效应以及增加的开关损耗。其次，在器件层面，SiC MOSFET和GaN HEMT其实有很大不同。GaN器件通常生长在硅衬底上，而SiC则使用原生SiC衬底。虽然Si衬底的成本比SiC和蓝宝石等替代品低得多，但它限制了GaN器件的潜力，将其限制在横向配置和低电压范围内，使其无法用于电动汽车的牵引逆变器，后者通常以600-1200V和数百kW的功率运行。

有替代方案和正在开发的技术可以解决这些问题，从而推动 GaN 在高压电力电子领域的进步，例如垂直 GaN 器件和多层拓扑。IDTechEx 在其“报告中分析了这些技术和公司。值得注意的是，GaN 在汽车低压辅助电子设备中确实占有相当大的市场份额，这些电子设备不仅存在于电动汽车中，还存在于轻度混合动力汽车和内燃机汽车中。

GaN HEMT 和 FET 在汽车半导体市场中占有一席之地。这一角色的发挥程度取决于某些发展，这些发展需要最大限度地发挥一种比 SiC 更有效地转换电力的材料的潜力。目前，市场上的大多数 GaN 器件都限制在 650V 以内，并且结构为横向。为了最大限度地发挥汽车 GaN 的潜力，需要采取措施使其在更高的电压下可行，尤其是当 800V 架构在主流电动汽车领域获得市场份额时。无论是通过工程技术改进还是在设备层面改进，IDTechEx 都会分析 GaN 在汽车行业发挥潜力的方式。研究了 GaN-on-Si 器件的替代品，并分析了相关公司。IDTechEx 的最新研究预计 OBC 和 DC-DC 转换器将取得重大进展，逆变器将随后出现。

IDTechEx 预测，到 2035 年，SiC MOSFET 的市场份额将远远超过 50%，同时汽车功率半导体市场也将大幅增长。SiC MOSFET 为电动汽车市场面临的许多问题提供了解决方案：续航里程焦虑、快速充电、可持续性以及 800V 架构的兴起。

不过，IDTechEx 承认，GaN 将在未来 5 年内进入电动汽车电力电子市场。进入市场的方式因组件而异：早期是车载充电器、DC-DC 转换器，后期是牵引逆变器。尽管 GaN 尚未进入市场，但随着基板技术、垂直器件和多层拓扑的发展，以及汽车功率半导体领域大型参与者（如 ROHM、Infineon 和 Renesas）的投资，GaN 将很快成为电动汽车电力电子的现实且广泛的解决方案。在未来十年，我们可以期待 Si、SiC 和 GaN 在电动汽车电力电子生态系统中共存。

参考链接

https://www.semiconductor-digest.com/idtechex-summarizes-the-emerging-adoption-and-future-trends-of-sic-and-gan-in-evs/

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