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域。這些材料具有更高的效率、更快的開關和緊湊的設計，對于滿足電動汽車 （EV）、超快速充電基礎設施和可再生能源系統不斷增長的需求至關重要。本文探討了氮化鎵和碳化硅器件的業務繁榮，研究了市場驅動因素、主要參與者，以及這種技術轉變如何重塑全球半導體戰略和供應鏈。

為未來提供動力，超越硅

幾十年來，硅一直是半導體行業的基石。但電氣化、移動化和可持續發展的時代需要更高效、更緊湊的高壓電源解決方案，而傳統硅則難以應對這些挑戰。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，實現更高的耐壓性、更快的開關速度以及更小、更輕的設計。它們的應用涵蓋電動汽車 （EV）、快速充電器、太陽能逆變器、數據中心和工業電機。這場革命的核心在于蓬勃發展的全球市場、加強的研發、戰略合作伙伴關系以及汽車和能源行業激增的需求。

為什么 GaN 和 SiC 超過硅

GaN 和 SiC 的優勢植根于物理學。與硅相比，這些材料具有：

• 更高的擊穿電壓

• 更快的開關頻率

• 更低的傳導和開關損耗

• 更高的導熱系數

• 在相同的額定功率下實現更小的外形尺寸

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

市場增長：數字說明問題

根據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 轉換器和車載充電器中的傳統硅器件正在被 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 充電系統中使用 100% SiC。

• 比亞迪、現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用的下一代 SiC MOSFET 和模塊。

GaN雖然在牽引系統中仍處于新興階段，但在車載充電器和DC-DC轉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設施

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絡。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 可實現高頻作，從而減小磁性和冷卻系統的尺寸和成本。

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

• 氮化鎵在 Anker、小米和蘋果等品牌的 AC-DC 轉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品和住宅電動汽車充電器都具有吸引力。

行業領導者和市場推動者

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

 SiC 市場領導者：

• Wolfspeed（前身為 Cree）：作為 SiC 晶圓和器件的先驅，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，并正在擴大其STPOWER產品組合。

• 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，提供移動和工業快速充電器。

• GaN Systems（被英飛凌收購）：提供用于汽車和工業用途的高性能 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 領域競爭。

主要代工廠和 IDM 正在形成生態系統聯盟，投資硅基氮化鎵和碳化硅晶圓技術，并簽署長期供應合同以確保高純度碳化硅襯底等原材料。

供應鏈和產能限制

盡管令人興奮，但供應鏈限制仍然是一個瓶頸，尤其是對于碳化硅片來說，碳化硅片比傳統硅更難生產且更昂貴。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：隨著時間的推移，從 6 英寸晶圓轉向 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。

未來幾年將決定產能是否能夠足夠快地擴展以滿足汽車和工業需求。

經營戰略：多元化與差異化

公司正在利用 WBG 的采用來實現投資組合多元化、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 與驅動器、傳感器和控制電路集成。

• 設計服務：為 OEM 提供系統級工程支持。

• 長期合同：通過與汽車制造商和一級供應商的多年協議鎖定收入。

初創公司還在使用 WBG 設備開發新架構，例如雙向充電器、無線電動汽車充電和集成電機驅動。

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開始認識到 WBG 半導體在電動汽車和能源基礎設施中的重要性。主要發展包括：

• 塔塔的半導體和電動汽車協同作用，可能涉及內部電力電子開發。

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

• 印度理工學院馬德拉斯分校和IISc等機構的學術研發專注于SiC器件研究。

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

結論：戰略拐點

氮化鎵和碳化硅半導體不僅僅是技術升級，它們還是電動、互聯和可持續未來的戰略推動者。從擴展電動汽車續航里程到實現緊湊、超高效的快速充電器，WBG 設備正在為各行各業樹立新的標桿。

隨著全球電氣化需求的增長，早期投資、建設產能并在WBG中建立牢固合作伙伴關系的半導體公司將引領電力電子的下一個十年。對于半導體行業來說，硅時代可能還沒有結束，但寬帶隙時代肯定已經開始。