新能源汽車功率半導(dǎo)體第三代化合物半導(dǎo)體SiC及GaN應(yīng)用分析[圖]

    SiC主要用于實現(xiàn)電動車逆變器等驅(qū)動系統(tǒng)的小量輕化。SiC器件相對于Si器件的優(yōu)勢之處在于，降低能量損耗、更易實現(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，其芯片尺寸會很大，切換損耗、寄生電容也會上升。SiC器件相對于Si器件的優(yōu)勢之處在于，降低能量損耗、更易實現(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主要用于實現(xiàn)電動車逆變器等驅(qū)動系統(tǒng)的小量輕化。

SiC的開關(guān)損耗

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    英飛凌和科銳占據(jù)了全球SiC市場的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)動的燃料電動車，由于具有高溫下動作和低損耗等特點，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)體市場總額達(dá)3.99億美元。預(yù)計到2023年市場總額將達(dá)16.44億美元，年復(fù)合增長率26.6%。。從應(yīng)用來看，混合動力和純電動汽車的增長率最高，達(dá)81.4%。從產(chǎn)品來看，SiCJFETs的增長率最高，達(dá)38.9%。其次為全SiC功率模塊，增長率達(dá)31.7%。

    政策支持力度大幅提升，推動第三代半導(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《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。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。

GaN的應(yīng)用領(lǐng)域及電壓分布

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    預(yù)計到2026年全球GaN功率器件市場規(guī)模將達(dá)到4.4億美元，復(fù)合年增長率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。

全球GaN市場規(guī)模

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    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因為擁有更高的電子遷移率，能夠獲得更高的開關(guān)速度，在高頻領(lǐng)域，GaN具備優(yōu)勢。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)品實現(xiàn)了業(yè)內(nèi)最高的電流等級，同時將系統(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GaNMMICPA模塊化功率產(chǎn)品，面向基站、雷達(dá)等應(yīng)用市場。

    SiC主要應(yīng)用在光伏逆變器（PV）、儲能/電池充電、不間斷電源（UPS）、開關(guān)電源（SMPS）、工業(yè)驅(qū)動器及醫(yī)療等市場。SiC可以用于實現(xiàn)電動車逆變器等驅(qū)動系統(tǒng)的小量輕化。

2023年GaN功率器件主流應(yīng)用預(yù)測

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    GaN應(yīng)用于充電器時可以有效縮小產(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功率器件市場的殺手級應(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)場等高密度區(qū)域的20GHz以上頻帶。要想滿足5G對于更高數(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)

    MassiveMIMO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可以實現(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市場可能會出現(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。

2018-2020年汽車功率半導(dǎo)體Sic市場需求及預(yù)測

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    2017年全球功率器件市場中恩智浦的營業(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6.19億元，凈利率0.11。

2017年全球功率器件廠商營業(yè)收入

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2017年全球功率器件廠商凈利潤

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    微控制器和SoC是瑞薩電子的主要產(chǎn)品。瑞薩電子在全球微控制器市場中占據(jù)領(lǐng)先地位。汽車電子已經(jīng)成為各功率器件廠商競爭的重要領(lǐng)域之一。

    相關(guān)報告：智研咨詢發(fā)布的《2019-2025年中國SiC功率器件行業(yè)市場供需預(yù)測及投資戰(zhàn)略研究報告》