寬禁帶半導體，尤其是氮化鎵 （GaN） 和碳化硅 （SiC），正在徹底改變電力電子領(lǐng)域。這些材料具有更高的效率、更快的開關(guān)和緊湊的設(shè)計，對于滿足電動汽車 （EV）、超快速充電基礎(chǔ)設(shè)施和可再生能源系統(tǒng)不斷增長的需求至關(guān)重要。本文探討了氮化鎵和碳化硅器件的業(yè)務(wù)繁榮，研究了市場驅(qū)動因素、主要參與者，以及這種技術(shù)轉(zhuǎn)變?nèi)绾沃厮苋虬雽w戰(zhàn)略和供應(yīng)鏈。

為未來提供動力，超越硅

幾十年來，硅一直是半導體行業(yè)的基石。但電氣化、移動化和可持續(xù)發(fā)展的時代需要更高效、更緊湊的高壓電源解決方案，而傳統(tǒng)硅則難以應(yīng)對這些挑戰(zhàn)。進入寬禁帶 （WBG） 半導體，特別是氮化鎵 （GaN） 和碳化硅 （SiC）。

這些材料正在改變電力電子的動態(tài)，實現(xiàn)更高的耐壓性、更快的開關(guān)速度以及更小、更輕的設(shè)計。它們的應(yīng)用涵蓋電動汽車 （EV）、快速充電器、太陽能逆變器、數(shù)據(jù)中心和工業(yè)電機。這場革命的核心在于蓬勃發(fā)展的全球市場、加強的研發(fā)、戰(zhàn)略合作伙伴關(guān)系以及汽車和能源行業(yè)激增的需求。

為什么 GaN 和 SiC 超過硅

GaN 和 SiC 的優(yōu)勢植根于物理學。與硅相比，這些材料具有：

• 更高的擊穿電壓

• 更快的開關(guān)頻率

• 更低的傳導和開關(guān)損耗

• 更高的導熱系數(shù)

• 在相同的額定功率下實現(xiàn)更小的外形尺寸

這些特性轉(zhuǎn)化為更高的效率和可靠性，使 WBG 器件成為高壓、高頻和高溫應(yīng)用的理想選擇。對于空間、重量和能源效率至關(guān)重要的電動汽車和超快速充電器來說，這是一個游戲規(guī)則的改變者。

市場增長：數(shù)字說明問題

根據(jù)Yole Group和其他市場分析師的說法：

• SiC 器件市場預計將從 2023 年的 25 億美元增長到 2028 年的 80 億美元以上，這主要是由電動汽車牽引逆變器和車載充電器推動的。

• 到 2027 年，氮化鎵功率器件市場預計將達到 20 億美元，這得益于消費電子產(chǎn)品、5G 功率放大器和緊湊型快速充電器的推動。

僅在電動汽車動力總成中，SiC 正在迅速取代牽引逆變器中的 IGBT 和硅 MOSFET，從而顯著提高續(xù)航里程并減少熱損耗。

電動汽車：主要增長引擎

全球向電動汽車的轉(zhuǎn)變可能是采用世界銀行集團的最強大催化劑。電動汽車逆變器、DC-DC 轉(zhuǎn)換器和車載充電器中的傳統(tǒng)硅器件正在被 SiC MOSFET 和 GaN HEMT 所取代，這些 MOSFET 和 GaN HEMT 可提供更高的效率和更快的充電速度。

牽引逆變器中的 SiC 可減少 50% 的能量損失，并將行駛里程增加多達 10%。特斯拉是第一家在其 Model 3 中部署基于 SiC 的逆變器的主要汽車制造商，其他公司也紛紛效仿：

• Lucid Motors 在其專有的 Wunderbox 充電系統(tǒng)中使用 100% SiC。

• 比亞迪、現(xiàn)代和大眾正在將碳化硅納入其電動汽車平臺。

• 瑞薩電子、英飛凌和意法半導體都推出了針對電動汽車應(yīng)用的下一代 SiC MOSFET 和模塊。

GaN雖然在牽引系統(tǒng)中仍處于新興階段，但在車載充電器和DC-DC轉(zhuǎn)換器中被證明是有價值的，具有緊湊的外形尺寸和低EMI。

快速充電器和電力基礎(chǔ)設(shè)施

為了支持電動汽車的普及，世界需要一個強大的直流快速充電器網(wǎng)絡(luò)。這些必須快速安全地提供高功率（100 kW 及以上），同時將能量損失降至最低。GaN 和 SiC 可實現(xiàn)高頻作，從而減小磁性和冷卻系統(tǒng)的尺寸和成本。

• SiC 因其堅固性和熱性能而在高壓 （>600V） 快速充電站中占據(jù)主導地位。

• 氮化鎵在 Anker、小米和蘋果等品牌的 AC-DC 轉(zhuǎn)換器和消費級快速充電器（高達 240W）中越來越受歡迎，例如用于筆記本電腦和智能手機的充電器。

基于 GaN 的充電器更小、更輕、更高效，因此對便攜式電子產(chǎn)品和住宅電動汽車充電器都具有吸引力。

行業(yè)領(lǐng)導者和市場推動者

WBG 市場正在迅速變得具有戰(zhàn)略性和競爭性，傳統(tǒng)半導體巨頭和新興初創(chuàng)公司都在大力投資：

 SiC 市場領(lǐng)導者：

• Wolfspeed（前身為 Cree）：作為 SiC 晶圓和器件的先驅(qū)，Wolfspeed 正在紐約建造一座耗資 50 億美元的新 SiC 晶圓廠，以滿足全球需求。

• 意法半導體：獲得Wolfspeed的長期SiC晶圓供應(yīng)，并正在擴大其STPOWER產(chǎn)品組合。

• 英飛凌科技：推出CoolSiC器件，并建立了專門的SiC制造能力。

• ROHM Semiconductor：專注于汽車級 SiC，為 Lucid Motors 等主要參與者供貨。

• 安森美半導體：收購了用于SiC晶體生長的GT Advanced Technologies，并正在擴大端到端能力。

氮化鎵市場參與者：

• 納微半導體：純氮化鎵公司，提供移動和工業(yè)快速充電器。

• GaN Systems（被英飛凌收購）：提供用于汽車和工業(yè)用途的高性能 GaN 功率晶體管。

• 電源集成：將 GaN 集成到緊湊型充電器 IC 中。

• Transphorm 和 EPC：在高壓和低壓 GaN 領(lǐng)域競爭。

主要代工廠和 IDM 正在形成生態(tài)系統(tǒng)聯(lián)盟，投資硅基氮化鎵和碳化硅晶圓技術(shù)，并簽署長期供應(yīng)合同以確保高純度碳化硅襯底等原材料。

供應(yīng)鏈和產(chǎn)能限制

盡管令人興奮，但供應(yīng)鏈限制仍然是一個瓶頸，尤其是對于碳化硅片來說，碳化硅片比傳統(tǒng)硅更難生產(chǎn)且更昂貴。目前的工作包括：

• 垂直整合：Wolfspeed 和 ST 等公司正在投資自己的晶圓增長能力。

• 8 英寸 SiC 晶圓開發(fā)：隨著時間的推移，從 6 英寸晶圓轉(zhuǎn)向 8 英寸晶圓將提高吞吐量并降低成本。

• 政府激勵措施：美國、日本和印度等國家正在為世行集團晶圓廠投資提供補貼。

未來幾年將決定產(chǎn)能是否能夠足夠快地擴展以滿足汽車和工業(yè)需求。

經(jīng)營戰(zhàn)略：多元化與差異化

公司正在利用 WBG 的采用來實現(xiàn)投資組合多元化、開拓新市場并從競爭對手中脫穎而出。策略包括：

• 共同封裝模塊：將 SiC/GaN 與驅(qū)動器、傳感器和控制電路集成。

• 設(shè)計服務(wù)：為 OEM 提供系統(tǒng)級工程支持。

• 長期合同：通過與汽車制造商和一級供應(yīng)商的多年協(xié)議鎖定收入。

初創(chuàng)公司還在使用 WBG 設(shè)備開發(fā)新架構(gòu)，例如雙向充電器、無線電動汽車充電和集成電機驅(qū)動。

印度角度：人們對世界銀行集團的興趣日益濃厚

印度的半導體使命已經(jīng)開始認識到 WBG 半導體在電動汽車和能源基礎(chǔ)設(shè)施中的重要性。主要發(fā)展包括：

• 塔塔的半導體和電動汽車協(xié)同作用，可能涉及內(nèi)部電力電子開發(fā)。

• Log 9 Materials 等本地初創(chuàng)公司致力于基于 GaN/SiC 的充電器和電池組。

• 印度理工學院馬德拉斯分校和IISc等機構(gòu)的學術(shù)研發(fā)專注于SiC器件研究。

預計印度將在未來 5-10 年內(nèi)成為一個區(qū)域市場，并有可能成為 WBG 組件的低成本制造中心。

結(jié)論：戰(zhàn)略拐點

氮化鎵和碳化硅半導體不僅僅是技術(shù)升級，它們還是電動、互聯(lián)和可持續(xù)未來的戰(zhàn)略推動者。從擴展電動汽車續(xù)航里程到實現(xiàn)緊湊、超高效的快速充電器，WBG 設(shè)備正在為各行各業(yè)樹立新的標桿。

隨著全球電氣化需求的增長，早期投資、建設(shè)產(chǎn)能并在WBG中建立牢固合作伙伴關(guān)系的半導體公司將引領(lǐng)電力電子的下一個十年。對于半導體行業(yè)來說，硅時代可能還沒有結(jié)束，但寬帶隙時代肯定已經(jīng)開始。