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.docx

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1、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 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600900V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。Si

2、C的开关损耗 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

3、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群。 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等面向基站卫星、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 预计到2026年全球GaN功率器件市场

4、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 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

5、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

6、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。 目前商业化GaN功率放大器的最高工作频率为31GHz。在2018年MACOM、Cree等企业陆续推出GaNMMICPA模块化功率产品，面向基站、雷达等应用市场。 SiC主要应用在光伏逆变器（PV）、储能/电池充电、不间断电源（UPS）、开关电源（SMPS）、工业驱动器及医疗等市场。SiC可以用于

7、实现电动车逆变器等驱动系统的小量轻化。2023年GaN功率器件主流应用预测 GaN应用于充电器时可以有效缩小产品的尺寸。目前市面上的GaN充电器支持USB快充，以27W、30W和45W功率居多。领先的智能手机制造商Apple也考虑将GaN技术作为其无线充电解决方案，这有可能带来GaN功率器件市场的杀手级应用。 5G主要部署的频段是用于广域覆盖的sub-6-GHz和用于机场等高密度区域的20GHz以上频带。要想满足5G对于更高数据传输速率和低延迟的要求，需要GaN技术来实现更高的目标频率。高输出功率、线性度和功耗要求也推动了基站部署的PA从LDMOS转换为GaN。另外，在5G的关键技术 Mass

8、iveMIMO中，基站收发信机上使用了大量的阵列天线，这种结构需要相应的射频收发单元，因此射频器件的使用数量将明显增加。利用GaN的小尺寸和功率密度高的特点可以实现高度集成化的产品解决方案，如模块化射频前端器件。 GaN技术在汽车中的应用才刚刚开始发展。EPC生产的GaNHEMT是其首款获得汽车AEC-Q101认证的GaN产品。GaN技术可以提升效率、缩小尺寸及降低系统成本。这些良好的性能使得GaN的汽车应用来日可期。 SiC市场可能会出现供不应求的情况。高成本是限制各国际厂商扩大SiC产能的重要因素。2018-2020年汽车功率半导体Sic市场需求及预测 2017年全球功率器件市场中恩智浦的营业收入排名第一。营业收入60.48亿元，净利润14.47亿元，净利率0.24。英飞凌排名第二，营业收入55.26亿元，净利润6.19亿元，净利率0.11。2017年全球功率器件厂商营业收入2017年全球功率器件厂商净利润 微控制器和SoC是瑞萨电子的主要产品。瑞萨电子在全球微控制器市场中占据领先地位。汽车电子已经成为各功率器件厂商竞争的重要领域之一。