讨论宽带隙半导体背后的技术、市场前景和机遇

GaN Systems 销售和营销副总裁 Larry Spaziani 在接受 记者采访时 谈到了宽带隙半导体背后的技术、市场前景和机遇。

记者：您认为 WBG 市场将走向何方?

最好的即兴答案无处不在，但这并不是 100% 正确。然而，它确实几乎无处不在。该预测从市场各个细分市场的以下亮点中收集：

个人电脑/便携式市场：随着 GaN 适配器在 2019 年底进入市场并在 2020 年大量涌现，GaN 已经进入 AC/DC 领域。大多数 AC/DC、手机、平板电脑和笔记本电脑将继续使用硅，因为电压低于 30V。硅仍然主导着这个领域，并将持续相当长的一段时间。除了适配器中偶尔使用的 SiC 二极管外，SiC 尚未进入该市场。

服务器市场：在 AC/DC 方面，功率密度正在推动 100W/in3 和效率 99%，因此需要 WBG。SiC 首先进入市场的是 SiC 二极管，但 GaN 现在开始在服务器开关电源中占据主导地位。由于服务器电源正在迁移至 48V，因此结合低压硅的 100V GaN 开始逐渐普及。到 2024 年，几乎每台服务器的 AC/DC 侧都将以 WBG 为主，并且在 48V AC/DC 侧将有大量 GaN 含量。

电机驱动器——工业：尽管电压很高，但硅仍然主导着大多数电机驱动器。然而，GaN 和 SiC 都在进入高效变频驱动以及有源前端 (AFE) 中的电机驱动系统。这个市场非常保守，适应新技术的速度会很慢，但到 2025 年，该市场的 10% 到 15% 将会发生转变。随着 WBG 产品的可靠性和成本满足市场需求，转换的步伐将会加快。

消费电子产品(电视、电器、音频)：对成本高度敏感的市场，产品范围广泛，这些市场的高端版本已经开始根据价格和产品供应转向 WBG，主要是 GaN。这部分行业的百分之五十 (50%) 将在 2020 年中期或后期转变为世界银行集团。

在电视中，高频 AC/DC 电源可以做得超薄。它允许为高端市场提供非常纤薄的电视。2019-2020年，大部分高端音频系统也在转向GaN，随着价格的降低，低端消费音频也将拥抱它。

在家电领域，全球效率要求和要求迫使高端压缩机电机和功率因数校正电路采用 GaN 和 SiC。再次，随着价格的下行，中低端产品会调整。

高可靠性/军用：由于市场价值、性能、尺寸和重量的减少，这曾经是，现在仍然是 GaN 和 SiC 最快的拥抱者之一。它也值得市场，因为它证明了 WBG 与其他产品相比的可靠性。

太阳能/储能：这个市场对成本非常敏感并且对采用新技术非常谨慎，但在过去五 (5) 年中，WBG 产品已慢慢渗透到市场中。对于太阳能装置，更高电压的 SiC 非常重要，因为宇宙辐射需要全球电压和降额。SiC 的宇宙辐射性能优于 IGBT。尽管 GaN 优于 SiC，但 GaN 尚不具备太阳能逆变器所需的高电压。然而，GaN 正以两种方式进入这个市场：

· 储能系统——日常电池充电和放电的地方。GaN 提供高效节能和更低的拥有成本。

· 带有多级转换器的太阳能逆变器——虽然更复杂，但与 SiC 相比，GaN 的高可靠性迫使客户同时考虑两者。

最后是汽车市场。展望未来，这将是 WBG 产品的最大市场，SiC 将在 2018 年率先渗透。由于性能和可靠性更高，GaN 将在 2020-21 年迅速赶上。在电动汽车 (EV) 市场中，有：

· 车载充电：这里需要考虑尺寸、重量和效率。因此，几乎全球都采用了 GaN 和 SiC。

· AC/DC 转换：将 400V 或 800V EV 电池转换为 12V 或 48V 是每辆汽车的功能。它还需要重量轻，并且将使用 WBG。

· 牵引逆变器：硅 IGBT 在 2020 年占据市场主导地位，但大多数牵引公司都开发了基于 SiC 的牵引逆变器。随着大电流 GaN 开关的可用性和高可靠性，大多数已经建立了基于 GaN 的牵引逆变器。到 2025 年，高端电动汽车市场将采用 WBG 设备，到 2030 年将实现大部分转换。

记者：您认为谁或什么是主导力量?(如市场、技术趋势、公司)

主导决策的市场力量将决定采用率和设计。在电力电子领域，以下市场力量正在推动主导公司和趋势的出现：-

· WBG 最初以 SiC 二极管的形式采用，以提高开关电源的效率。早期进入的 SiC 二极管存在一些质量问题，因此我们认为 WBG 器件的整体主导力量是成本和可靠性。推动销量增长的市场是电动汽车 (EV) 市场以及对续航里程更长的电动汽车和更低的电池成本的需求。

· 成本：电力电子展览会在整个 21 世纪的头几十年都受到价格的限制。所以，当WBG产品以高价进入市场时，市场接受度却很低。WBG 的采用改变了这一点。来自 SiC 和 GaN 公司的 WBG 器件现已进入第 4 代或第 5 代，并且在某些地区价格已经接近甚至超过硅的价格，因此采用率正在回升。

· 基于硅的 GaN 最终具有与硅超结 MOSFET 一样低或更低的潜在成本，例如，因为步骤数少，所以速率由 Epi 生长时间决定。

· SiC 建立在 SiC 晶圆上，比 GaN 成熟几年，正达到平坦的成本曲线，预计未来几年的总成本将高于硅和 GaN。

· 可靠性：这种市场力量被认为是好的，因为 30 年来，硅器件已被证明非常可靠。然而，随着 WBG 的加入，以及电动汽车等新市场的进入，可靠性已成为采用 WBG 的主导因素。可靠性通过时间故障 (FIT) 或每十亿小时的故障数来衡量。例如，优质硅器件需要 <1 的 FIT 率，许多器件 <0.1 WBG 供应商从 <0.1 FIT 到数十 (10s) 甚至数百 (100s) 的 SiC 模块。

我们相信，真正的市场赢家将拥有合理的成本和继续降低价格的路线图，而且还将拥有经过验证的大型供应链，以确保客户在与硅相同的订单中获得可靠的供应和可靠性。

记者：在您看来，该行业如何解决成本高、产量有限和供应链受限等十年之久的问题?

无论技术如何，所有客户都关心成本和供应链。在这方面，WBG 和 Silicon 是相似的。但是，SiC和GaN的发展存在差异。

硅生长在锭中，然后切割成晶圆，而碳化硅生长在晶圆中，这在质量和数量上都很难遇到。有几家供应商，领先的供应商是 Cree，然后供应更大的公司，如 ST、ON、Infineon 和他们自己的部门 Wolfspeed。在这一点上，一旦电动汽车市场启动，业界最大的担忧之一就是 SiC 的可用性。Cree 宣布在 2019 年扩充 10 亿美元的产能，但考虑到功率分立市场约为 180 亿美元，这意味着供应有限。

商业和汽车 GaN 是在标准硅晶圆上开发的，并且大部分使用标准 CMOS 工艺。能力的限制是 EPI 室，它可以缩放到任何体积，给定 9-12 个月的交付时间。因此，GaN 不存在任何限制性供应链问题。

SiC 和 GaN 的供应商都有不同的技术，因此在大多数情况下，没有多个来源。因此，客户正在系统级接触各种资源。比如服务器电源，一个数据卡可以用多个供应商的产品开发，而且都可以合格。GaN Systems 等其他供应商(与 Rohm 半导体)签订了多源协议，以减轻客户的担忧。

关于成本，所有 WBG 开发人员都可以承受第 3、4 和 5 代以减小尺寸和价格标签。尽管 SiC 和 GaN 在 2020 年已经达到了多样化的应用点，但它们的总市场份额仍然很低。他们都认为 到 2025 年复合年增长率 (CAGR) 将接近 30%，因为成本已经下降，而且正如行业所证明的那样，WBG 产品的额外成本会带来价值。