SiC和GaN功率半導(dǎo)體在混合動(dòng)力和電動(dòng)汽車的主傳動(dòng)系逆變器中的應(yīng)用

關(guān)鍵結(jié)論：

新興市場(chǎng)碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）功率半導(dǎo)體預(yù)計(jì)將在2020年達(dá)到近10億美元，推動(dòng)力來(lái)自混合動(dòng)力及電動(dòng)汽車、電力和光伏（PV）逆變器等方面的需求。

SiC和GaN功率半導(dǎo)體在混合動(dòng)力和電動(dòng)汽車的主傳動(dòng)系逆變器中的應(yīng)用，將導(dǎo)致2017之后復(fù)合年增長(zhǎng)率（CAGR）超過(guò)35%，在2027年達(dá)到100億美元。

到2020年，GaN-on-silicon (Si)晶體管預(yù)期將會(huì)達(dá)到與硅金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）和絕緣柵雙極晶體管（IGBT）持平的價(jià)格，同時(shí)也會(huì)提供相同的優(yōu)越性能。一旦達(dá)到這個(gè)基準(zhǔn)，2024年GaN電力市場(chǎng)預(yù)計(jì)將達(dá)到6億美元，2027年攀升至17億美元以上。

IHS Markit分析

對(duì)SiC行業(yè)持續(xù)強(qiáng)勁增長(zhǎng)的預(yù)期很高，主要推動(dòng)力是混合動(dòng)力和電動(dòng)汽車銷售的增長(zhǎng)。市場(chǎng)的滲透也在增長(zhǎng)，特別是在中國(guó)，肖特基二極管、MOSFET、結(jié)柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管（JFET）和其他SiC分立器件已經(jīng)出現(xiàn)在量產(chǎn)汽車DC-DC轉(zhuǎn)換器、車載電池充電器之中。

越來(lái)越明顯的跡象是，傳動(dòng)系主逆變器——采用SiC MOSFET，而不是Si絕緣柵雙極晶體管（IGBT）—將在3-5年內(nèi)開始出現(xiàn)在市場(chǎng)上。由于非常多的設(shè)備用于主逆變器中，遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于在DC-DC轉(zhuǎn)換器和車載充電器中的數(shù)量，這就會(huì)迅速增加設(shè)備需求。也許在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)，逆變器制造商最終選擇定制全SiC功率模塊，而不選擇SiC分立器件。集成、控制和封裝優(yōu)化是模塊化裝配的主要優(yōu)點(diǎn)。

不僅每輛車的SiC設(shè)備數(shù)量將會(huì)增加，而且對(duì)于電池電動(dòng)汽車（BEV）和插電式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車（PHEV）的新增全球注冊(cè)需求也將在2017年和2027年之間增加10倍，因?yàn)槿蛟S多政府都鎖定目標(biāo)降低空氣污染，同時(shí)減少依賴燃燒化石燃料的車輛。中國(guó)、印度、法國(guó)、英國(guó)和挪威都已經(jīng)宣布計(jì)劃在未來(lái)數(shù)十年內(nèi)禁止搭載內(nèi)燃機(jī)的汽車，代之以更清潔的車輛。電氣化車輛的前景一般來(lái)說(shuō)將會(huì)因此而變得非常好，特別是對(duì)寬禁帶半導(dǎo)體而言更是如此。

SiC

與第一代半導(dǎo)體材料Si和第二代半導(dǎo)體材料GaAs相比，SiC具有更優(yōu)良的物理和化學(xué)性質(zhì)，這些性質(zhì)包括高熱導(dǎo)率、高硬度、耐化學(xué)腐蝕、耐高溫、對(duì)光波透明等。SiC材料優(yōu)異的熱學(xué)特性和抗輻照特性也使其成為制備紫外光電探測(cè)器的首選材料之一。此外，SiC基傳感器能夠彌補(bǔ)Si基傳感器在高溫、高壓等惡劣環(huán)境下的性能缺陷，從而擁有更廣闊的適用空間。以SiC為代表的寬禁帶半導(dǎo)體功率器件是目前在電力電子領(lǐng)域發(fā)展最快的功率半導(dǎo)體器件之一。

SiC電力電子器件主要包括功率二極管和三極管（晶體管、開關(guān)管）。SiC功率器件可使電力電子系統(tǒng)的功率、溫度、頻率、抗輻射能力、效率和可靠性倍增，帶來(lái)體積、重量以及成本的大幅減低。SiC功率器件應(yīng)用領(lǐng)域可以按電壓劃分：

低壓應(yīng)用（600 V至1.2kV）：高端消費(fèi)領(lǐng)域（如游戲控制臺(tái)、等離子和液晶電視等）、商業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域（如筆記本電腦、固態(tài)照明、電子鎮(zhèn)流器等）以及其他領(lǐng)域（如醫(yī)療、電信、國(guó)防等）

中壓應(yīng)用（1.2kV至1.7kV）：電動(dòng)汽車/混合電動(dòng)汽車（EV/HEV）、太陽(yáng)能光伏逆變器、不間斷電源（UPS）以及工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)（交流驅(qū)動(dòng)AC Drive）等。

高壓應(yīng)用（2.5kV、3.3kV、4.5kV和6.5kV以上）：風(fēng)力發(fā)電、機(jī)車牽引、高壓/特高壓輸變電等。

SiC器件獲得成長(zhǎng)的最大抑制因素可能是GaN器件。第一個(gè)符合汽車AEC-Q101規(guī)范的GaN晶體管在2017年由Transphorm發(fā)布，而且在GaN-on-Si外延片上制造的GaN器件具有相當(dāng)?shù)偷某杀?，也比在SiC晶片上制造任何產(chǎn)品都更為容易。由于這些原因，GaN晶體管可能會(huì)成為2020年代后期逆變器中的首選，優(yōu)于較昂貴的SiC MOSFET。

Transphorm創(chuàng)新的Cascode結(jié)構(gòu)

近年來(lái)，有關(guān)GaN功率器件最有趣的故事是GaN系統(tǒng)集成電路（IC）的到來(lái)，也就是將GaN晶體管與硅柵驅(qū)動(dòng)器IC或單片全GaN IC一同封裝起來(lái)。一旦它們的性能針對(duì)移動(dòng)電話和筆記本充電器和其他高容量應(yīng)用得到優(yōu)化，就很可能在更廣泛的范圍內(nèi)大面積普及。相反，商業(yè)化的GaN功率二極管發(fā)展從未真正開始，因?yàn)樗鼈兾茨芴峁┫鄬?duì)于Si器件更為顯著的益處，相關(guān)的發(fā)展已被證明太過(guò)昂貴而且不可行。SiC肖特基二極管已經(jīng)很好地用于這一目標(biāo)，并且具有良好的定價(jià)路線圖。

GaN

GaN功率器件和其他類型的功率半導(dǎo)體用于功率電子領(lǐng)域?；旧?，功率電子設(shè)備利用各種固態(tài)電子部件，在從智能手機(jī)充電器到大型發(fā)電廠的任何事物中，更有效地控制和轉(zhuǎn)換電能。在這些固態(tài)部件中，芯片處理開關(guān)和電源轉(zhuǎn)換功能。

對(duì)于這些應(yīng)用而言，GaN是種理想的選擇。GaN基于鎵和III-V族氮化物，是一種寬帶隙工藝，意味著它比傳統(tǒng)的基于硅的器件更快，而且能夠提供更高的擊穿電壓。