盘点GaN与SiC在汽车中的成功应用

在过去的几十年中，SiC（碳化硅）和GaN（氮化镓）技术都呈现快速发展，并且正在被各行业所接受，有着广阔的市场前景。第一个商用 SiC 器件是德国英飞凌公司2001年推出的肖特基二极管。预计到2026 年，工业市场相关需求有望超过 40 亿美元。

GaN 则是相对较新，2010 年首次亮相，当时美国 EPC 推出了其超快速开关晶体管。市场采用率尚未达到 SiC 的水平，但到 2026 年，功率 GaN 收入也有可能达到 10 亿美元。

两项技术未来财富密码都在电动汽车和混合动力汽车中。对于 SiC，EV/HEV 市场确实是最佳市场——预计市场营收将超过 25 亿美元。

宽带隙半导体继续在电源管理和其他汽车应用中取得进展，电动汽车的车载充电器就是一个例子。

特斯拉于 2017 年启动了 SiC 功率器件市场，当时它成为第一家将 SiC MOSFET 添加到其 Model 3 的汽车制造商。该器件来自意法半导体，并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。

中国吉利最近宣布正在与日本罗姆公司合作为其电动汽车提供基于 SiC 的牵引逆变器。蔚来则将在其车辆中采用基于SiC的电驱动系统。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线电动汽车开发SiC模块。

去年，中国电动客车制造商宇通透露，它将在客车动力系统中使用斯达半导体制造的 SiC 功率模块，这些模块使用 Wolfspeed 的 SiC 器件。

现代汽车将采用英飞凌的SiC功率模块，实现其800V 电池平台。在日本，丰田正在其 Mirai 燃料电池汽车中使用来自 Denso 的 SiC 升压功率模块。通用汽车则刚刚与 Wolfspeed 签约，为其电动汽车电力电子设备供应SiC。

欧洲汽车制造商接受 SiC 的速度较慢，但目前正在加速。 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 SiC 和 GaN 器件。戴姆勒、奥迪和大众预计很快将发布更多公告。

对于 Wolfspeed、英飞凌、STMicroelectronics、ROHM 和 Onsemi 而言，重要的是，汽车 OEM 更愿意从多个来源购买晶圆和设备，以确保可靠供应。中国和其他国家也正在向 SiC 供应链注入巨额资金。

在此过程中，棘手的成本问题也正在得到解决。在组件级别，硅 IGBT 比同等的 SiC 便宜得多，并且不会很快消失。但Tier1和OEM均表示，将高功率密度 SiC 实施到逆变器设计中，由于需要更少的组件从而节省空间和重量，最终降低了系统级成本。

但这对 GaN 有何影响？这种宽带隙半导体是否可以复制SiC在电动汽车领域的成功？由于其高频操作和效率，OEM们也非常关注该技术，有些则正在进行实质开发计划。

GaN的早期发展

GaN 功率器件已经出现在小体积、高端的光伏逆变器中，更多的则是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上。事实上，爱尔兰的 Navitas、美国的 Power Integrations 和中国的英诺赛科都在为新兴的快速充电器市场制造 GaN 功率 IC。

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产量，预计到 2026 年这一数字将激增至 10 亿美元，其中EV/HEV市场将是重点。

GaN 在电动汽车中的应用还处于早期阶段。许多功率 GaN 厂商已经开发了 650V GaN 器件并通过了认证，用于车载充电器和 EV/HEV 中的 DC/DC 转换，并且已经与汽车企业建立了大量的合作伙伴关系。

例如，加拿大的 GaN Systems 为美国电动汽车初创公司 Canoo 提供车载充电器，并且与加拿大电动汽车电机驱动供应商 FTEX 合作，将 650-V GaN 功率设备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。

意法半导体有望提供为雷诺提供GaN器件，不过目前尚未通过汽车级认证。EPC 目前提供符合汽车标准的低压 GaN 器件，正在与总部位于法国的 Brightloop 合作，为非公路和商用车辆开发价格合理的电源转换器。去年，德州仪器 (TI) 的车用 650V GaN 器件通过了认证。

但是，随着车载充电器和 DC/DC 细分市场的发展势头强劲，对于 GaN 而言，十亿美元的市场容量，是否意味着该技术可以成为电动汽车动力系统的主逆变器，从而获得与 SiC 相当的市场份额？

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。以色列的 VisIC Technologies 公司与德国汽车供应商采埃孚合作，为 400-V 传动系统应用开发 GaN 半导体。

在 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，这提供了 OEM 对 GaN 认真对待的有力证据。

在另一个真正重要的发展中，Navitas与特殊目的收购公司 Live Oak Acquisition 合并并成功在Nasdaq上市。Navitas最近宣布将向总部位于瑞士的 Brusa HyPower 供应用于车载充电器和 DC/DC 转换器的设备。作为一家上市公司，它打算大力支持EV/HEV和其他市场的产品开发。

除了这些交易、合作伙伴关系之外的新闻，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，行业参与者正准备进行更广泛的行业整合。例如，GaN Systems 正在为设计工程师提供电源评估模块套件，而 Transphorm 一直在与富士通合作开发面向工业和汽车应用的 GaN 模块。

那么，SiC 和 GaN 的下一步是什么？在数十亿美元的电动汽车市场，GaN 会获得SiC同样的成功吗？ OEM 在传动系统逆变器中广泛采用 GaN 将从根本上影响市场预测。但眼下，我们只能拭目以待。

本文作者：

– Ahmed Ben Slimane 是 Yole Développement 的技术和市场分析师，专门研究化合物半导体和新兴衬底；
– Ezgi Dogmus 是 Yole 电源与无线部门化合物半导体和新兴基板的团队首席分析师；
– Poshun Chiu 是 Yole 技术和市场分析师，专门研究化合物半导体和新兴衬底。

编译自EETimes