SiC主要用于實(shí)現(xiàn)電動(dòng)車逆變器等驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的小量輕化。SiC器件相對(duì)于Si器件的優(yōu)勢(shì)之處在于,降低能量損耗、更易實(shí)現(xiàn)小型化和更耐高溫。SiC適合高壓領(lǐng)域,GaN更適用于低壓及高頻領(lǐng)域。
SiC是第三代半導(dǎo)體材料的代表。以硅而言,目前SiMOSFET應(yīng)用多在1000V以下,約在600~900V之間,若超過1000V,其芯片尺寸會(huì)很大,切換損耗、寄生電容也會(huì)上升。SiC器件相對(duì)于Si器件的優(yōu)勢(shì)之處在于,降低能量損耗、更易實(shí)現(xiàn)小型化和更耐高溫。SiC功率器件的損耗是Si器件的50%左右。SiC主要用于實(shí)現(xiàn)電動(dòng)車逆變器等驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的小量輕化。
圖1:SiC的開關(guān)損耗。(數(shù)據(jù)來源:公開資料整理)
英飛凌和科銳占據(jù)了全球SiC市場(chǎng)的70%。羅姆公司在本田的Clarity上搭載了SiC功率器件,Clarity是世界首次用FullSiC驅(qū)動(dòng)的燃料電動(dòng)車,由于具有高溫下動(dòng)作和低損耗等特點(diǎn),可以縮小用于冷卻的散熱片,擴(kuò)大內(nèi)部空間。
2017年全球SiC功率半導(dǎo)體市場(chǎng)總額達(dá)3.99億美元。預(yù)計(jì)到2023年市場(chǎng)總額將達(dá)16.44億美元,年復(fù)合增長(zhǎng)率26.6%。從應(yīng)用來看,混合動(dòng)力和純電動(dòng)汽車的增長(zhǎng)率最高,達(dá)81.4%。從產(chǎn)品來看,SiCJFETs的增長(zhǎng)率最高,達(dá)38.9%。其次為全SiC功率模塊,增長(zhǎng)率達(dá)31.7%。
政策支持力度大幅提升,推動(dòng)第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)彎道超車。國家和各地方政府持續(xù)推出政策和產(chǎn)業(yè)扶持基金支持第三代半導(dǎo)體發(fā)展。2018年7月國內(nèi)首個(gè)《第三代半導(dǎo)體電力電子技術(shù)路線圖》正式發(fā)布,提出了中國第三代半導(dǎo)體電力電子技術(shù)的發(fā)展路徑及產(chǎn)業(yè)建設(shè)。福建省更是投入500億,成立專門的安芯基金來建設(shè)第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)集群。
GaN應(yīng)用場(chǎng)景增多,迎來發(fā)展機(jī)遇。由于GaN的禁帶寬度較大,利用GaN可以獲得更大帶寬、更大放大器增益、尺寸更小的半導(dǎo)體器件。GaN器件可以分為射頻器件和電力電子器件。GaN的射頻器件包括PA、MIMO等面向基站衛(wèi)星、雷達(dá)市場(chǎng)。電力電子器件產(chǎn)品包括SBD、FET等面向無線充電、電源開關(guān)等市場(chǎng)。
圖2:GaN的應(yīng)用領(lǐng)域及電壓分布。(數(shù)據(jù)來源:公開資料整理)
預(yù)計(jì)到2026年全球GaN功率器件市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到4.4億美元,復(fù)合年增長(zhǎng)率29.4%。近年來越來越多的公司加入GaN的產(chǎn)業(yè)鏈。如初創(chuàng)公司EPC、GaNSystem、Transphorm等。它們大多選擇臺(tái)積電或X-FAB為代工伙伴。行業(yè)巨頭如英飛凌、安森美和意法半導(dǎo)體等則采用IDM模式。
圖3:全球GaN市場(chǎng)規(guī)模。(數(shù)據(jù)來源:公開資料整理)
SiC適合高壓領(lǐng)域,GaN更適用于低壓及高頻領(lǐng)域。較大的禁帶寬度使得器件的導(dǎo)通電阻減小。較高的飽和遷移速度使得SiC、GaN都可以獲得速度更快、體積更小的功率半導(dǎo)體器件。但二者一個(gè)重要的區(qū)別就是熱導(dǎo)率,這使得在高功率應(yīng)用中,SiC居統(tǒng)治地位。而GaN因?yàn)閾碛懈叩?a target="_blank">電子遷移率,能夠獲得更高的開關(guān)速度,在高頻領(lǐng)域,GaN具備優(yōu)勢(shì)。SiC適合1200V以上的高壓領(lǐng)域,而GaN更適用于40-1200V的高頻領(lǐng)域。
目前商業(yè)化SiCMOSFET的最高工作電壓為1700V,工作溫度為100-160℃,電流在65A以下。SiCMOSFET現(xiàn)在主要的產(chǎn)品有650V、900V、1200V和1700V。在2018年國際主要廠商推出的SiC新產(chǎn)品中,Cree推出的新型E系列SiCMOSFET是目前業(yè)內(nèi)唯一通過汽車AEC-Q101認(rèn)證,符合PPAP要求的SiCMOSFET。
目前商業(yè)化GaNHEMT的最高工作電壓為650V,工作溫度為25℃,電流在120A以下。GaNHEMT現(xiàn)在主要的產(chǎn)品有100V、600V和650V。在2018年國際主要廠商推出的GaN新產(chǎn)品中,GaNSystems的GaNE-HEMT系列產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了業(yè)內(nèi)最高的電流等級(jí),同時(shí)將系統(tǒng)的功率密度從20kW提高到了500kW。而EPC生產(chǎn)的GaNHEMT是其首款獲得汽車AEC-Q101認(rèn)證的GaN產(chǎn)品。其體積遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)的SiMOSFET,且開關(guān)速度是SiMOSFET的10-100倍。
目前商業(yè)化GaN功率放大器的最高工作頻率為31GHz。在2018年MACOM、Cree等企業(yè)陸續(xù)推出GaN MMIC PA模塊化功率產(chǎn)品,面向基站、雷達(dá)等應(yīng)用市場(chǎng)。
SiC主要應(yīng)用在光伏逆變器(PV)、儲(chǔ)能/電池充電、不間斷電源(UPS)、開關(guān)電源(SMPS)、工業(yè)驅(qū)動(dòng)器及醫(yī)療等市場(chǎng)。SiC可以用于實(shí)現(xiàn)電動(dòng)車逆變器等驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的小量輕化。
圖4:2023年GaN功率器件主流應(yīng)用預(yù)測(cè)。(數(shù)據(jù)來源:公開資料整理)
GaN應(yīng)用于充電器時(shí)可以有效縮小產(chǎn)品的尺寸。目前市面上的GaN充電器支持USB快充,以27W、30W和45W功率居多。領(lǐng)先的智能手機(jī)制造商Apple也考慮將GaN技術(shù)作為其無線充電解決方案,這有可能帶來GaN功率器件市場(chǎng)的殺手級(jí)應(yīng)用。
5G主要部署的頻段是用于廣域覆蓋的sub-6-GHz和用于機(jī)場(chǎng)等高密度區(qū)域的20GHz以上頻帶。要想滿足5G對(duì)于更高數(shù)據(jù)傳輸速率和低延遲的要求,需要GaN技術(shù)來實(shí)現(xiàn)更高的目標(biāo)頻率。高輸出功率、線性度和功耗要求也推動(dòng)了基站部署的PA從LDMOS轉(zhuǎn)換為GaN。另外,在5G的關(guān)鍵技術(shù)
Massive MIMO中,基站收發(fā)信機(jī)上使用了大量的陣列天線,這種結(jié)構(gòu)需要相應(yīng)的射頻收發(fā)單元,因此射頻器件的使用數(shù)量將明顯增加。利用GaN的小尺寸和功率密度高的特點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)高度集成化的產(chǎn)品解決方案,如模塊化射頻前端器件。
GaN技術(shù)在汽車中的應(yīng)用才剛剛開始發(fā)展。EPC生產(chǎn)的GaNHEMT是其首款獲得汽車AEC-Q101認(rèn)證的GaN產(chǎn)品。GaN技術(shù)可以提升效率、縮小尺寸及降低系統(tǒng)成本。這些良好的性能使得GaN的汽車應(yīng)用來日可期。
SiC市場(chǎng)可能會(huì)出現(xiàn)供不應(yīng)求的情況。高成本是限制各國際廠商擴(kuò)大SiC產(chǎn)能的重要因素。
圖5:2018-2020年汽車功率半導(dǎo)體Sic市場(chǎng)需求及預(yù)測(cè)。(數(shù)據(jù)來源:公開資料整理)
2017年全球功率器件市場(chǎng)中恩智浦的營業(yè)收入排名第一。營業(yè)收入60.48億元,凈利潤(rùn)14.47億元,凈利率0.24。英飛凌排名第二,營業(yè)收入55.26億元,凈利潤(rùn)6.19億元,凈利率0.11。
圖6:2017年全球功率器件廠商營業(yè)收入。(數(shù)據(jù)來源:公開資料整理)
圖7:2017年全球功率器件廠商凈利潤(rùn)。(數(shù)據(jù)來源:公開資料整理)
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