SiC和GaN功率半导体在混合动力和电动汽车的主传动系逆变器中的应用

关键结论：

新兴市场碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）功率半导体预计将在2020年达到近10亿美元，推动力来自混合动力及电动汽车、电力和光伏（PV）逆变器等方面的需求。

SiC和GaN功率半导体在混合动力和电动汽车的主传动系逆变器中的应用，将导致2017之后复合年增长率（CAGR）超过35%，在2027年达到100亿美元。

到2020年，GaN-on-silicon (Si)晶体管预期将会达到与硅金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）和绝缘栅双极晶体管（IGBT）持平的价格，同时也会提供相同的优越性能。一旦达到这个基准，2024年GaN电力市场预计将达到6亿美元，2027年攀升至17亿美元以上。

IHS Markit分析

对SiC行业持续强劲增长的预期很高，主要推动力是混合动力和电动汽车销售的增长。市场的渗透也在增长，特别是在中国，肖特基二极管、MOSFET、结栅场效应晶体管（JFET）和其他SiC分立器件已经出现在量产汽车DC-DC转换器、车载电池充电器之中。

越来越明显的迹象是，传动系主逆变器——采用SiC MOSFET，而不是Si绝缘栅双极晶体管（IGBT）—将在3-5年内开始出现在市场上。由于非常多的设备用于主逆变器中，远远多于在DC-DC转换器和车载充电器中的数量，这就会迅速增加设备需求。也许在某个时间点，逆变器制造商最终选择定制全SiC功率模块，而不选择SiC分立器件。集成、控制和封装优化是模块化装配的主要优点。

不仅每辆车的SiC设备数量将会增加，而且对于电池电动汽车（BEV）和插电式混合动力电动汽车（PHEV）的新增全球注册需求也将在2017年和2027年之间增加10倍，因为全球许多政府都锁定目标降低空气污染，同时减少依赖燃烧化石燃料的车辆。中国、印度、法国、英国和挪威都已经宣布计划在未来数十年内禁止搭载内燃机的汽车，代之以更清洁的车辆。电气化车辆的前景一般来说将会因此而变得非常好，特别是对宽禁带半导体而言更是如此。

SiC

与第一代半导体材料Si和第二代半导体材料GaAs相比，SiC具有更优良的物理和化学性质，这些性质包括高热导率、高硬度、耐化学腐蚀、耐高温、对光波透明等。SiC材料优异的热学特性和抗辐照特性也使其成为制备紫外光电探测器的首选材料之一。此外，SiC基传感器能够弥补Si基传感器在高温、高压等恶劣环境下的性能缺陷，从而拥有更广阔的适用空间。以SiC为代表的宽禁带半导体功率器件是目前在电力电子领域发展最快的功率半导体器件之一。

SiC电力电子器件主要包括功率二极管和三极管（晶体管、开关管）。SiC功率器件可使电力电子系统的功率、温度、频率、抗辐射能力、效率和可靠性倍增，带来体积、重量以及成本的大幅减低。SiC功率器件应用领域可以按电压划分：

低压应用（600 V至1.2kV）：高端消费领域（如游戏控制台、等离子和液晶电视等）、商业应用领域（如笔记本电脑、固态照明、电子镇流器等）以及其他领域（如医疗、电信、国防等）

中压应用（1.2kV至1.7kV）：电动汽车/混合电动汽车（EV/HEV）、太阳能光伏逆变器、不间断电源（UPS）以及工业电机驱动（交流驱动AC Drive）等。

高压应用（2.5kV、3.3kV、4.5kV和6.5kV以上）：风力发电、机车牵引、高压/特高压输变电等。

SiC器件获得成长的最大抑制因素可能是GaN器件。第一个符合汽车AEC-Q101规范的GaN晶体管在2017年由Transphorm发布，而且在GaN-on-Si外延片上制造的GaN器件具有相当低的成本，也比在SiC晶片上制造任何产品都更为容易。由于这些原因，GaN晶体管可能会成为2020年代后期逆变器中的首选，优于较昂贵的SiC MOSFET。

Transphorm创新的Cascode结构

近年来，有关GaN功率器件最有趣的故事是GaN系统集成电路（IC）的到来，也就是将GaN晶体管与硅栅驱动器IC或单片全GaN IC一同封装起来。一旦它们的性能针对移动电话和笔记本充电器和其他高容量应用得到优化，就很可能在更广泛的范围内大面积普及。相反，商业化的GaN功率二极管发展从未真正开始，因为它们未能提供相对于Si器件更为显著的益处，相关的发展已被证明太过昂贵而且不可行。SiC肖特基二极管已经很好地用于这一目标，并且具有良好的定价路线图。

GaN

GaN功率器件和其他类型的功率半导体用于功率电子领域。基本上，功率电子设备利用各种固态电子部件，在从智能手机充电器到大型发电厂的任何事物中，更有效地控制和转换电能。在这些固态部件中，芯片处理开关和电源转换功能。

对于这些应用而言，GaN是种理想的选择。GaN基于镓和III-V族氮化物，是一种宽带隙工艺，意味着它比传统的基于硅的器件更快，而且能够提供更高的击穿电压。