集微
-第三代半导体材料即将进入爆发前的市场拐点；
-SiC和GaN将能应对未来电动汽车的技术挑战；
-继SiC之后，GaN也将在汽车领域迎来爆发；
-SiC与GaN将在电动汽车市场形成互补式发展格局。
跨过了量产鸿沟的第三代半导体材料已经进入了产业发展的快车道。未来3-5年将是其发展的关键时期，新能源汽车、消费电子、5G通信将会大量出现应用第三代半导体材料的产品。其中，以电动力为主的新能源汽车在节能减碳考量和各国政策的激励下，正以超乎市场预期的速度成长，结合汽车本身的“新四化”需求，将带动第三代半导体材料的技术迭代和产能扩张的速度激增，成为驱动市场整体增长的强劲动力。
第三代半导体材料即将进入拐点
以碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）为代表的宽禁带化合物半导体被称为第三代半导体。相比于以硅（Si）、锗（Ge）为代表的第一代半导体材料，以砷化镓（GaAs）、锑化铟（InSb）、磷化铟（InP）为代表的第二代半导体材料，第三代半导体材料在高温、高耐压等多个方面具备明显的优势，因而更适合于制作高温、高频及高功率器件。
SiC和GaN的功率和频率表现（图源：网络）
光电子器件、电力电子器件（功率半导体）和微波射频器件是第三代半导体应用的三大领域，其中，在功率半导体应用中的市场增幅居首。
这是因为SiC和GaN都具有较低的导通电阻，极大地降低了器件的导通损耗；同时其高电子饱和速率和电子迁移率还能提高器件的开关速度，从而降低电力电子器件的开关损耗，提高了转换效率。
SiC和GaN可以工作在较高的频率下，高开关频率还有助于将电容器和电感器的值减少约75％，显著降低了无源和滤波元器件的成本，从而抵消了开关器件的较高成本。同时，第三代半导体功率器件拥有更高的功率密度，也大幅度降低了电路的规模、体积和重量。
随着SiC、GaN器件产业化进程的加速，基于SiC和GaN的高性能、高能效功率系统设计不仅性能高于硅基器件，且成本也在不断降低，逐渐接近企业的价格甜蜜点。
据CASA近期的调研，SiC、GaN产品的价格近几年来快速下降，较年下降了50%以上，而主流产品与Si产品的价差也在持续缩小，已经基本达到4倍以内，部分产品已经缩小至2倍，已经达到了甜蜜点，将加速向市场渗透。
Omdia发布的《年SiC和GaN功率半导体报告》表示，SiC和GaN功率半导体的销售收入，从年的5.71亿美元增至年底的8.54亿美元。未来十年的市场收入将以两位数增长，到年超过50亿美元。
SiC和GaN功率半导体的增长趋势（图源：Omdia）
从Omdia数据可以看出，年是市场发展的拐点，之后的市场将以接近50%的整体速率增长。
汽车将成为SiC和GaN的广阔天地
电动汽车对功率半导体需求量十分巨大，其主动力与各子系统都要依赖电力来运作。
同时，电动汽车还在发生着用电气系统来取代机械系统的转变，如真空或气动控制向电子控制模组(ECM)转移，线控驱动(DbW)系统向高功率机电执行器转移等。所有这些新系统的推出，大幅增加了功率半导体使用的数量，如继续使用传统的硅基器件则意味着更多的重量和更高的成本。在电动汽车集成化、平台化、轻量化等趋势下，唯有第三代半导体材料可化解这种挑战。
数据显示，传统油车中，每辆车中的功率器件价值约71美元，仅占燃油汽车车用半导体器件总价值的21%；而在电动汽车（EV/HEV）中，每辆车中的功率器件价值在美元左右，占到了电动车车用半导体器件总价的55%以上。
SiC的耐高压特性使其非常适合电动汽车的应用，其未来主要的增长都将来自这一领域。据Omdia预测，汽车市场将在年SiC器件总市场中占据超过50%的份额。GaN在这个领域的潜力也同样不可小觑，V以下将会是其未来的领地。
1、SiC在电动汽车中的应用
-优势
SiC拥有高度稳定的晶体结构，工作温度可达℃；击穿场强是Si的10倍多，因此阻断电压更高；导通损耗比硅器件小很多，而且随温度变化很小；热导系数几乎是硅材料的2.5倍，饱和电子漂移率是Si的2倍，所以能在更高的频率下工作。
在相同功率等级下，全SiC模块的封装尺寸显著小于Si模块，同时也可以使开关损耗降低75%。在相同封装下，全SiC模块具备更高的电流输出能力，支持逆变器达到更高功率。
根据三菱电机的研究，SiC的功率损耗较IGBT下降了87%。结合功率半导体在整车中的能量损耗占比数据可以得出，仅仅是将IGBT替换为SiC，就可提高整车续航里程10%左右。
-市场规模
-年SiC市场演变（图源：Yole）
按照Yole公布的数据，电动汽车（xEV，包括混动）在SiC整体应用的份额将从年的27%增加到年的49%。
而据CASA的预计，国内SiC汽车市场也将以30.6%的复合年增长率增长，年市场规模15.8亿元，到年将超过45亿元。折算成晶圆，国内年新能源汽车市场6英寸SiC晶圆需求量超过4万片，预计到年需求量将增长到近30万片。国际年新能源汽车市场6英寸SiC晶圆需求量超过5万片，到年需求量超过60万片。
-应用场景
SiC在电动汽车中的主要应用场景包括了牵引逆变器（TractionInverter）和车载充电设备（OBC）和车载DC/DC转换器。
电动车中，逆变器和电机取代了传统发动机的角色，因此逆变器的设计和效率直接影响着电机的功率输出表现和电动车的续航能力。由于SiC的优异特性，围绕SiCMOSFET进一步提高车用逆变器功率密度，降低电机驱动系统重量及成本，成为各车企的布局重点。下图列举了SiC在牵引逆变器中的应用进展情况。
从图中可以看出，年是市场发展的拐点，SiC器件应用量接近于年的2倍。
SiC在OBC中已经得到较为广泛的运用，目前有超过20家汽车厂商在OBC中使用SiC器件，随着车载充电机功率的提高，碳化硅方案也由二极管向“二极管+SICMOS”演进；DC/DC转换器上从年开始从Si基MOS转向SiCMOS方案。
2、GaN在汽车中的应用
-优势
相比于Si和SiC，GaN有其性能上的独特优势：
一、GaN的低栅极电容可在硬开关期间实现更快的导通和关断，从而减少了交叉功率损耗。
二、GaN的低输出电容可在软开关期间实现快速的漏源转换，在低负载（磁化）电流下尤其如此。借助这些器件，设计人员可以使用较小的死区时间和低磁化电流，而它们对于增加频率和减少循环功率损耗必不可少。
三、与Si和SiC电源MOSFET不同，GaN晶体管结构中本身没有体二极管，因此没有反向恢复损耗。这使得图腾柱无桥功率因数校正等新型高效架构可以在数千瓦时变得可行，这在以前使用硅器件时是无法实现的。
以TeslaModelS为例，相比传统的SiIGBT牵引逆变器，GaN逆变器续航能力增加了6-10％，而且GaN解决方案将冷却系统尺寸减小了40％。
-市场规模
根据Yole的预测，GaN在汽车领域将实现快速发展，到年的复合增长率达到%。年GaN在这一领域的营收的营收仅30万美元（约万人民币），预计年将超过1.55亿美元（约10亿人民币），约为年的倍。
GaN在汽车领域中的增长情况（图源：Yole）
不过，产业人士认为这个数字有些保守，实际情况应该更好。GaNSystems首席执行官JimWitham则估算，目前GaN全球市场的规模约为80亿美元（约亿人民币），到年将增长到亿美元（约亿人民币），其中60亿美元（约亿人民币）将来自电动汽车。
-应用场景
GaN在电动汽车中的主要应用（图源：EPC）
按照EPC公司的介绍，GaN在电动汽车的应用主要包括48V-12V电源转换系统、激光雷达、电机驱动和车载信息娱乐系统。
基于GaN技术的48V车用总线系统可提高效率、缩小尺寸和降低系统成本。以3kW多相降压转换器为例，GaN器件的解决方案可以高效地在每相kHz下工作，而基于传统MOSFET器件的解决方案的工作频率为每相kHz。较高的工作频率可实现较小的电感值和较小的电感直流阻抗，因此基于GaN器件的解决方案可实现更小的功耗和尺寸。
商用GaNFET可以做到用极短脉冲宽度的大电流来驱动激光器。较短的脉宽可以实现更高的分辨率，而更高的脉冲电流可以让激光雷达系统看得更远。这两个特性加上超小尺寸的优势，使GaNFET成为了激光雷达应用的理想驱动器件。
基于GaN器件的48V车用电机优势明显，包括缩小电机尺寸和重量，在高于可听频谱频率下高效的工作，具有更强的转矩和更高的效率，从而实现更长的电池续航时间。
新型的车载信息娱乐系统对车辆的整体功率系统要求更高。同时，仪表板监测器给这些附加电源系统的空间非常有限，不仅需要高很多的功率，还会产生更高的热量。而GaN器件具有非常低的QGD和整体开关损耗，从而大大提升效率和更容易管理散热问题。
-进展
在PCIMEurope上，GaNSystems首席执行官JimWitham介绍了一款All-GaN（全氮化镓）汽车，采用可再生能源的太阳能蓄电池，证明了GaN在汽车功率转换方面的可行性，同时也证明了GaN适合所有需要更高电压、频率、温度和效率的应用。
年4月，安世推出第二代V功率GaNFET器件系列。这些产品使得安世得以进入高压应用领域，比如电动汽车。同时，安世半导体还开发出V高压的GaN车载产品，且未来还有针对V产品的计划，这打破了GaN仅适用于中低压产品的传统思维。
总结
在当前的市场中，汽车电子功率器件区块采用SiC技术的比重将超过20%，而GaN器件在各类电动车(xEV)市场的渗透率在未来几年仍占极少数。即使目前GaN在电动车的应用上相对来说成熟度仍不足，不过，待其克服技术以及商用上的挑战后，48VDC/DC可望在中长期成为GaN一个有潜力的应用领域。
所以，SiC与GaN虽皆为宽禁带半导体，其特性却有所不同。针对电动汽车市场未来的发展方向，两者将各有其适合的应用范围，未来将有一个互补发展的局面。
（校对/范蓉）