SiC和GaN在电动汽车中的新兴应用和未来趋势

芯有芯的小事 2024-07-13 06:02:46

据悉,多家 SiC 厂商宣布了未来几年扩大产能以满足终端系统(尤其是汽车)需求的计划。意法半导体、安森美、英飞凌、Wolfspeed 和 ROHM 等领先的设备厂商都在不同地点建设工厂。最近一个季度,厂商的投资情况有所更新。

功率器件市场的结构性重塑

未来五年内功率器件市场规模将从209亿美元扩大到333亿美元,目前仍主导市场的传统MOSFET和IGBT器件的市场占比同期大幅下降,而SiC和GaN功率器件市场份额有望在2028年即达到三成。

电力电子应用看好宽禁带化合物半导体功率器件,是因为基于GaN或者SiC的开关电源损耗小、工作频率高,在功率密度、可靠性和降低(系统)成本等方面有着明显优势。这些优势得益于材料的诸多特性,如更宽的带隙、高临界场强、更高的电子迁移率。基于这类材料的功率器件,导通电阻能做到很小,并能够工作在更高的电压下——相比之下,传统硅基器件则达到了性能极限。

高压大功率应用市值占80%以上,包括工业、汽车、计算与存储等领域。其中,混合/纯电动汽车(HEV/EV)很可能是这场竞争的主竞技场,这不仅因为纯电动汽车的“硅含量”是内燃机车的2.5倍,而且2027年全球电动汽车的销量将超过燃油车。

GaN市场增速高于SiC——2021-2025年期间,GaN的复合年均增长率达到53.2%,超过碳化硅的42.5%。同时,从Yole 2024 Q1预测中也可明显看出,GaN复合增长趋势明显强于SiC市场。GaN功率半导体器件市场5年内达到24亿美元,而在GaN市场份额变化中,汽车与出行市场“从无到有”,增幅最为抢眼。相比之下,SiC市场格局将无大的变动,汽车市场应用占主要份额。

车用功率器件市场格局或将改写

众所周知,新兴的半导体技术正在重塑功率器件市场。Yole机构最新统计数据显示,未来三年,功率器件市场规模的将从目前的200多亿美元增长至300多亿美元,宽禁带(WBG)半导体器件——SiC和GaN占比有望超过三成。

Omdia对功率器件应用市场构成进行的分析表明,高压大功率应用市值占80%以上,包括工业、汽车、计算与存储等领域。其中,混合/纯电动汽车(HEV/EV)将是这场竞争的主竞技场——纯电动汽车的“硅含量”是内燃机车的2.5倍,且市场规模也在持续增长,至2027年全球电动汽车的销量将超过燃油车。

之所以宽禁带化合物半导体功率器件在电力电子市场备受青睐,主要是因为基于GaN或者SiC的开关电源损耗小、工作频率高,在功率密度、可靠性和降低(系统)成本等方面有着明显优势。这些优势得益于材料的诸多特性,如更宽的带隙、高临界场强、更高的电子迁移率。基于这类材料的功率器件,导通电阻能做到很小,并能够工作在相对更高的电压下,而传统硅基器件则达到了性能极限。

随着特斯拉在EV主逆变器上采用SiC,宽禁带技术吹响进军汽车应用市场的号角。EV是SiC市场最主要的驱动力,电动汽车应用占了SiC市场的75%。然而,2023至2024年期间,业界也看到SiC的推广在商业和技术层面都面临着结构性的硬挑战,比如制造良率、器件可靠性和供应链成本等。

而相比之下,同为宽禁带半导体,GaN的大规模市场应用时间更早,领域更广泛——RF射频、LED照明、激光、光电领域都早已活跃着GaN的足迹,而在高压大功率应用中更是不乏GaN的身影,比如太阳能、人工智能、计算中心、航空、区块链应用等领域。据预测,2021-2025年期间,GaN的复合年均增长率达53.2%,超过碳化硅的42.5%。功率器件市场将是未来几年GaN与SiC角逐的主赛场。

碳化硅衬底市场的这一影响深远的内在变化,加之由于价格内卷、租赁市场变化、补贴政策调整等等外部因素,让电动汽车市场随时可能面临的需求“凛冬”,并迅速影响SiC市场收益,利润率被挤压并波及整体SiC供应链。

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