功率电子、5G、新能源汽车：三大目标市场中，第三代半导体器件的机会在哪里？

第三代半导体指以氮化镓 (GaN)、碳化硅 (SiC)、氧化锌 (ZnO) 和金刚石为代表的化合物半导体，该类半导体材料禁带宽度大于或等于2.2eV，因此也被称为宽禁带 (WBG) 半导体材料。

与第一代的Si、Ge和第二代的GaAs、InP相比，GaN和SiC具有禁带宽度大、击穿电场强度高、电子迁移率高、热导电率大、介电常数小和抗辐射能力强等特点，具有强大的功率处理能力、较高的开关频率、更高的电压驱动能力、更小的尺寸、更高的效率和更高速的散热能力，可满足现代电子技术对高温高频、高功率、高辐射等恶劣环境条件的要求。目前最流行的WBG材料是SiC和GaN，它们的带隙分别达到3.3eV和3.4eV，属于新兴的半导体材料。

一. SiC和GaN的优势

相对于Si器件，SiC功率器件具有三大优势：

· 一是高压特性。SiC器件是同等Si器件耐压的10倍，SiC肖特基管的耐压可达2,400V，SiC场效应管耐压更是高达数万伏。
· 二是高频和高效特性。SiC器件的工作频率通常是Si器件的10倍左右。在PFC电路中，SiC器件可使电路工作在300kHz以上，且效率基本保持不变，而使用硅器件的电路在≥100kHz时效率就会急剧下降。这一特性对高频应用尤其重要，因为在高频条件下，电感等无源器件的体积会更小，整个电路板的体积将下降约30%。
· 三是耐高温以及低损耗特性。SiC器件在600℃高温下仍可正常工作，能量损耗也只有硅器件的50%左右。

SiC是WBG材料中现阶段开发最成熟的一种，不过作为一项新技术，其不足之处就是SiC目前的生产成本比较高。

作为一种经济高效的功率器件，相较于已经发展十多年的SiC，GaN属于后来者。面世之后，GaN就赢得了市场的关注，其中一个重要原因就是它拥有更大的成本控制潜力。硅基GaN功率器件的优势主要体现在高电压运行、高开关频率和出色的可靠性等方面，这对低于900V的应用颇具吸引力。

在电力电子领域，SiC和GaN已成为高功率、高温应用的前沿解决方案。Yole估计，用SiC或GaN代替硅可以将DC-DC转换效率从85%提高到95%，将AC-DC转换效率从85%提高到90%，DC-AC转换效率从96%优化到99%。

当今重要的新兴应用，如混合动力和电动汽车、数据中心、5G以及可再生能源发电等领域都已经开始大规模采用SiC和GaN器件，系统的能源效率得到大幅提升，体积和重量显著下降。

根据Global Market Insights的预测，到2025年，GaN和SiC功率半导体市场将从2018年的4亿美元的市值增长到30亿美元以上。

二. 正确认识SiC和GaN的区别

尽管在概念层面上有相似之处，根据其运行系统内的工作参数，SiC和GaN器件之间是不可互换的。

首先，SiC器件可以承受1,200V甚至更高的电压。而GaN器件能承受的电压和功率密度相比SiC要低一些；另一方面，由于GaN器件的关断时间几乎为零 (与MOSFET硅的50V/s相比，电子迁移率高，dV/dt大于100V/s) ，因此特别适合高频应用，且能提供前所未有的效率和性能。当然，这种特性可能会带来其他问题：如果组件的寄生电容不接近零，就会产生几十安培的电流尖峰，这将导致电磁兼容性测试阶段出现问题。

SiC共源共栅通常具有650V和1,200V额定值，电流高达85A左右，导通电阻约为30mΩ。SiC-MOSFET在大约70A和45mΩ下电压可达到1,700V。

GaN器件的最高电压为650V，额定电流和导通电阻分别为60A和25mΩ，理论上能够更快地进行切换。需要注意的是，在100V额定电压下可用的GaN器件在导通电阻方面并不比传统的Si-MOSFET好，成本上也没什么优势。

对于未来，IHS数据清楚地表明，尽管IGBT和传统MOSFET的销售额将不断增长，然而这并不会消弱SiC和GaN器件的发展势头，毕竟功率器件整体市场是处于快速发展阶段，焦点在于这些功率器件应在特定的细分市场中找准自己的定位。图1是功率器件未来可能的功率和工作频率分割示意图。


图1：功率器件未来可能的功率和工作频率分割示意图 (图源：UnitedSiC)

三. 大功率高温电子应用中的WBG

WBG半导体的应用始于发光二极管 (LED) ，进而扩展到带有SAW滤波器的RF器件。1992年，随着第一个400V SiC肖特基二极管的问世，WBG半导体首次出现在电力电子领域。从那时起，WBG电力电子产品组合逐步扩展至包括1,200V SiC肖特基二极管以及整流器、JFET、MOSFET、BJT和晶闸管等。

作为行业领导者，Cree在WBG上的产品组合有MOSFET、肖特基二极管和整流器、LED等。2011年，Cree率先推出的Z-FET SiC MOSFET系列，大幅提高了功率开关应用的可靠性。STMicroelectronics的STPSC系列SiC二极管可提供600V、650V和1,200V电压。其中，STPSC6H12是一种高性能1,200V SiC肖特基整流器，专门用于光伏逆变器。

Infineon Technologies (英飞凌) 的CoolSiC和CoolGaN系列是该公司最具标志性的SiC和GaN MOSFET器件及其驱动器。其中，FF6MR12W2M1_B11半桥模块能够在1,200V电压下提供高达200A的电流，Rdson电阻仅为6mΩ，模块还配有两个SiC MOSFET和一个NTC温度传感器，主要面向UPS和电机控制应用。

onsemi (安森美) 也有类似的解决方案，即Phase Leg SiC MOSFET模块，它利用SP6LI器件系列，电压达到1,700V，电流大于200A。

四. 5G应用中的WBG

5G技术承诺更快的数据传输速率、更高的网络带宽以及更低的延迟。然而，这些承诺同样带来了挑战性的需求。因此，5G无线电需要更高的效率、更好的频谱利用率、更高的连接密度，以及在保持成本合理的同时以新的更高频率工作的能力。此外，组件还需要更高的功率密度，以及更紧凑的尺寸。

这些挑战正是WBG半导体的优势所在。在Massive MIMO (mMIMO) 应用中，基站收发信机上使用大量阵列天线来实现更大的无线数据流量和连接可靠性，这意味着需要更多的硬件以及更大的功率消耗。GaN的小尺寸、高效率和大功率密度等特点为实现高集成化的解决方案提供了保证。特别是，GaN在高导热SiC衬底上的出现 (GaN-on-SiC) ，使mMIMO的部署得以实现。

在mMIMO系统设计过程中，200MHz及以上的瞬时带宽下，如何降低功率放大器 (PA) 在其非线性区域工作时产生的失真非常关键。此时，高效的GaN-on-SiC器件就成为了放大器设计的最佳选择。

Wolfspeed是GaN-on-SiC器件技术的领导者，它的高功率多芯片非对称Doherty PA模块 (PAM) 采用最先进的GaN-on-SiC HEMT器件和精确的非线性器件模型设计，主要用于5G mMIMO基站中。因PAM采用紧凑的表面贴装封装设计，所以比分立元件解决方案的尺寸要小得多。该模块只需最少的外部组件即可构建全功能、高性能的Doherty PAM。其中，WS1A3940为针对美国C波段3.7至4.0GHz设计优化的模块，WS1A3640模块的工作频率从3.3GHz到3.8GHz，WS1A2639模块针对工作频率2.496 GHz至2.69 GHz的频带设计进行了优化。


图2：Wolfspeed公司针对不同市场提供4种PAM可供选择 (图源：Wolfspeed)

五. 新能源汽车中的WBG

GaN实现了汽车中一个非常令人兴奋的应用——自动驾驶。位于车辆顶部的激光雷达系统 (LiDAR)，为车辆提供了“眼睛”的功能，它创建了车辆周围360度的三维图像。激光束传输得越快，LiDAR探测到的地图或定位对象的分辨率就越高。在LiDAR系统的核心，GaN技术起着至关重要的作用，它使得整个系统具备优越的解析度、快速的反应时间以及更高的准确性。

在LiDAR设计中常常要面对这样一个难题：无法在用短脉冲发射激光并且同时还能维持高峰值功率。麻烦的是，这一点恰恰是确保LiDAR实现长距离、高分辨率和安全不伤眼的必要条件。欧司朗与GaN Systems联合研制的一款极速激光驱动器解决了这个难题，该模块的脉冲上升时间为1ns，同时分别以40A的电流驱动所有四个通道，实现了480W的峰值功率。以低占空比对最大功率进行调制后，能远距离生成高分辨率3D云点，可用于新款LiDAR设计中。

在新能源汽车中，相比于硅器件，SiC MOSFET的性能明显占优，比如应用于车载充电系统和电源转换系统，它能够有效降低开关损耗，提高极限工作温度，提升系统效率。根据Yole的数据，特斯拉于2017年就在Model 3中使用了SiC MOSFET，是业界第一家使用SiC功率器件的汽车制造商。当时的产品由ST提供，整个功率模块单元由单管模块组成，采用标准的6-switches逆变器拓扑，器件耐压为650V。随后英飞凌也成为了特斯拉的SiC功率半导体供应商。

安森美的650V SiC MOSFET同样是新能源汽车市场的有力竞争者，该产品系列采用了一种新颖的有源单元设计，同时结合先进的薄晶片技术，能够为具有650V击穿电压的器件提供一流的Rdson。2021年11月，安森美宣布完成对SiC生产商GTAT的收购，公司在SiC产品上的供应能力又得到了进一步增强。

新能源车中的电机控制系统、引擎控制系统、车身控制系统均需使用大量的半导体功率器件。Strategy Analytics和英飞凌的统计数据表明，传统ICE车辆中功率器件的单车价值约为71美元，轻型混合动力汽车 (MHEV) 中功率器件的单车价值量约为90美元，高度混合动力汽车 (FHEV) 和插电式混合动力汽车 (PHEV) 中功率器件的单车价值约为305美元，电池电动汽车 (BEV) 中功率器件的单车价值将达到350美元左右。这些趋势都是SiC和GaN发展的重大利好。

虽然汽车制造商在采用新技术方面相对保守，但随着GaN和SiC的产品价格日趋合理，OEM和Tier 1已经开始逐步增加对这些技术的采用。目前。全球功率半导体市场前五大厂商占据了约43.2%市场份额，其中，英飞凌的市占率为19%、安森美8%、意法半导体6%、东芝5%、瑞萨5%。

六. 结语

在功率半导体领域，现在就来谈论SiC和GaN能否替代硅器件可能为时尚早。但随着新能源汽车、5G通信以及消费电子市场的兴起，可以确信第三代半导体正在迎来发展的春天。根据marketwatch预测，2020年，全球SiC和GaN功率器件市场规模约为7.871亿美元，预计到2027年底将达到56.436亿美元，2021-2027年复合年增长率为32.5%。从眼下的市场应用来看，这个预测并不算激进，未来的形势有可能会更好。


来源：贸泽电子
作者：Doctor M