SiC和GaN的未来会怎样？

在过去的几十年里，碳化硅和氮化镓技术取得了长足的进步，其特点是不断发展、行业认可度不断提高，并有望带来数十亿美元的收入。首个商用碳化硅器件于2001年问世，是德国英飞凌推出的肖特基二极管。随后，该领域发展迅速，预计到2026年，该产业的产值将超过40亿美元。

GaN 首次引起业界轰动是在 2010 年，当时美国宜普电源转换公司 (EPC) 推出了其超高速开关晶体管。目前，GaN 的市场应用尚未达到 SiC 的水平，但到 2026 年，功率 GaN 的收入可能会超过 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汽车。对于 SiC 而言，电动汽车/混合动力汽车市场才是真正的黄金发展点；预计超过 30 亿美元的市场规模中至少有 60% 将来自该领域。

特斯拉于 2017 年率先在汽车（Model 3）中使用 SiC MOSFET，开启了 SiC 功率器件市场。该器件由意法半导体 (STMicroelectronics) 提供，并集成了自主研发的主逆变器设计。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。

中国吉利汽车此前宣布，正与日本罗姆公司合作，为其电动汽车研发基于碳化硅 (SiC) 的牵引逆变器。与此同时，汽车制造商和半导体制造商比亚迪也一直在为其全线电动汽车开发碳化硅 (SiC) 模块。

现代汽车将把英飞凌用于 800 V 电池平台的 SiC 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了电装的 SiC 升压功率模块。通用汽车已与 Wolfspeed 签约，为其电动汽车电力电子设备提供 SiC。

欧洲汽车制造商在采用SiC 技术方面进展缓慢，但变革正在发生。今年 6 月，雷诺与意法半导体联手开发用于电动汽车和混合动力汽车的 SiC 和 GaN 器件。预计戴姆勒、奥迪和大众汽车很快将发布更多相关公告。

对于 Wolfspeed、英飞凌、意法半导体、罗姆和安森美等公司而言，重要的是，汽车原始设备制造商也倾向于从多个来源采购晶圆和器件，以确保可靠的供应。考虑到中国等国家正在向SiC供应链投入巨额资金，SiC 的销量只会持续增长。

在此过程中，棘手的成本问题也正在得到解决。在组件层面，硅基IGBT比SiC同类产品便宜得多，而且短期内不会从电力应用中消失。但一级制造商和原始设备制造商(OEM)表示，例如在逆变器设计中采用高功率密度SiC，可以降低系统级成本，因为该设计所需的组件更少，从而节省空间和重量。

但GaN又将何去何从？这种宽带隙半导体尚未见证SiC在电动汽车领域的成功。但由于其高频工作和高效率，原始设备制造商要么对该技术抱有浓厚兴趣，要么正在开展开发项目。

来源：Yole Développement

来源：Yole Développement

GaN功率器件已应用于小批量、高端光伏逆变器，并越来越多地应用于包括智能手机在内的各种移动设备的快速充电器。事实上，爱尔兰的Navitas Semiconductor、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。

鉴于此，GaN功率器件的收入预计在2021年达到约1亿美元。但随着GaN器件供应商寻求进入其他市场以提高产量，预计到2026年这一数字将膨胀至10亿美元。而电动汽车/混合动力汽车市场将是首当其冲的。

GaN 在电动汽车中的应用尚处于起步阶段。许多功率 GaN 厂商已经开发出用于电动汽车/混合动力汽车的车载充电器和 DC/DC 转换的 650 V GaN 器件，并已与众多汽车企业建立了合作伙伴关系。

例如，总部位于加拿大的GaN Systems公司向美国电动汽车初创公司Canoo供应车载充电器，并与加拿大电动汽车电机驱动器供应商FTEX合作，将650 V 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公司与汽车供应商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尚未获得汽车认证的电动汽车应用器件。宜普电源转换公司（EPC）目前正在供应符合汽车标准的低压GaN器件，并正与法国公司Brightloop合作，开发用于非公路车辆和商用车辆的经济型电源转换器。德州仪器（TI）也已将其650 V GaN器件通过了汽车应用认证。

但随着车载充电器和 DC/DC 市场的增长势头强劲，对于 GaN 来说，价值数十亿美元的问题是：该技术能否进入电动汽车动力系统的主逆变器，并获得与 SiC 技术相当的惊人销量？

早期的行业发展表明这是可能的。

2020年2月，荷兰Nexperia公司与英国咨询公司Ricardo合作，开发基于GaN的电动汽车逆变器设计。紧随其后，以色列VisIC Technologies公司与德国汽车供应商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生产 GaN 功率器件的能力，这有力地证明了原始设备制造商对 GaN 的重视。

另一项意义非凡的进展是，Navitas 将与特殊目的收购公司 Live Oak Acquisition 合并，成为一家市值 10.4 亿美元的上市公司。这家 GaN 功率 IC 供应商近期宣布，将向瑞士 Brusa HyPower 供应车载充电器和 DC/DC 转换器的器件。作为一家上市公司，Navitas 计划大力支持电动汽车/混合动力汽车及其他市场的产品开发。

除了这些交易、合作和并购之外，GaN模块的早期研发工作表明，化合物半导体正在追随SiC的脚步，行业参与者正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则一直在与富士通通用电子合作开发针对工业和汽车应用的GaN模块。

那么，SiC 和 GaN 的未来会怎样？功率SiC器件制造商预计电动汽车市场规模将达到数十亿美元，GaN 能否取得同样的成功？如果 OEM 厂商在传动系统逆变器中广泛采用 GaN，将彻底改变市场预测。