新能源汽车功率半导体第三代化合物半导体SiC及GaN应用分析
 
   
 
 
 
 
 
 
 
     
 
 
 
 
 
 
本田电动车 
    SiC主要用于实现电动车逆变器等驱动系统的小量轻化。SiC器件相对于Si器件的优势之处在于，降低能量损耗、更易实现小型化和更耐高温。SiC适合高压领域，GaN更适用于低压及高频领域。
    SiC是第三代半导体材料的代表。以硅而言，目前SiMOSFET应用多在1000V以下，约在600~900V之间，若超过1000V，其芯片尺寸会很大，切换损耗、寄生电容也会上升。SiC器件相对于Si器件的优势之处在于，降低能量损耗、更易实现小型化和更耐高温。SiC功率
器件的损耗是Si器件的50%左右。SiC主要用于实现电动车逆变器等驱动系统的小量轻化。
SiC的开关损耗
数据来源：公开资料整理
    英飞凌和科锐占据了全球SiC市场的70%。罗姆公司在本田的Clarity上搭载了SiC功率器件，Clarity是世界首次用FullSiC驱动的燃料电动车，由于具有高温下动作和低损耗等特点，
可以缩小用于冷却的散热片，扩大内部空间。
    2017年全球SiC功率半导体市场总额达3.99亿美元。预计到2023年市场总额将达16.44亿美元，年复合增长率26.6%。。从应用来看，混合动力和纯电动汽车的增长率最高，达81.4%。从产品来看，SiCJFETs的增长率最高，达38.9%。其次为全SiC功率模块，增长率达31.7%。
    政策支持力度大幅提升，推动第三代半导体产业弯道超车。国家和各地方政府持续推出政策和产业扶持基金支持第三代半导体发展。2018年7月国内首个《第三代半导体电力电子技术路线图》正式发布，提出了中国第三代半导体电力电子技术的发展路径及产业建设。福建省更是投入500亿，成立专门的安芯基金来建设第三代半导体产业集。
    GaN应用场景增多，迎来发展机遇。由于GaN的禁带宽度较大，利用GaN可以获得更大带宽、更大放大器增益、尺寸更小的半导体器件。GaN。器件可以分为射频器件和电力电子器件。GaN的射频器件包括PA、MIMO等面向卫星、雷达市场。电力电子器件产品包括SBD、FET等面向无线充电、电源开关等市场。
GaN的应用领域及电压分布
数据来源：公开资料整理
    预计到2026年全球GaN功率器件市场规模将达到4.4亿美元，复合年增长率29.4％。近年来越来越多的公司加入GaN的产业链。如初创公司EPC、GaNSystem、Transphorm等。它们大多选择台积电或X-FAB为代工伙伴。行业巨头如英飞凌、安森美和意法半导体等则采用IDM模式。
全球GaN市场规模
数据来源：公开资料整理
    SiC适合高压领域，GaN更适用于低压及高频领域。较大的禁带宽度使得器件的导通电阻减小。较高的饱和迁移速度使得SiC、GaN都可以获得速度更快、体积更小的功率半导体器件。但二者一个重要的区别就是热导率，这使得在高功率应用中，SiC居统治地位。而GaN因为拥有更高的电子迁移率，能够获得更高的开关速度，在高频领域，GaN具备优势。SiC适合1200V以上的高压领域，而GaN更适用于40-1200V的高频领域。
    目前商业化SiCMOSFET的最高工作电压为1700V，工作温度为100-160℃，电流在65A以下。SiCMOSFET现在主要的产品有650V、900V、1200V和1700V。在2018年国际主要厂商推出的SiC新产品中，Cree推出的新型E系列SiCMOSFET是目前业内唯一通过汽车AEC-Q101认证，符合PPAP要求的SiCMOSFET。
    目前商业化GaNHEMT的最高工作电压为650V，工作温度为25℃，电流在120A以下。GaNHEMT现在主要的产品有100V、600V和650V。在2018年国际主要厂商推出的GaN新产品中，GaNSystems的GaNE-HEMT系列产品实现了业内最高的电流等级，同时将系统的功率密度从20kW提高到了500kW。而EPC生产的GaNHEMT是其首款获得汽车AEC-Q101认证的GaN产品。其体积远小于传统的SiMOSFET，且开关速度是SiMOSFET的10-100倍。