SiC和GaN在电动汽车中的新兴应用和未来趋势

2008年，碳化硅（SiC）MOSFET的首次商业化是功率半导体市场的一个重大转折点，这也是几十年来该领域首次取得得显著进展。随后，SiC MOSFET首先在2017年的特斯拉Model 3电动汽车中得到应用。

SiC MOSFET是一种晶体管，具有高功率密度、更高的效率和较低的高温故障率。SiC MOSFET的这些优势给电动汽车（EV）带来了诸多好处，包括更长的续航里程、更快的充电速度和潜在的更低成本的纯电动汽车（BEV）。在过去五年，特斯拉和现代等OEM厂商的汽车中，SiC MOSFET在电动汽车的电力电子领域得到了广泛的应用。事实上，根据IDTechEx的研究发现，2023年SiC逆变器占据了BEV市场的28%。

GaN HEMTs是一种更新的技术，极有可能成为电动汽车市场的下一个主要颠覆者。GaN HEMT具有更出色的效率表现，但在采用方面仍面临着重大挑战，如最终的功率处理能力。SiC MOSFETs和GaN HEMTs之间存在相当大的重叠，两者都将在汽车功率半导体市场中占有一席之地。考虑到这些权衡，那我们将在电力电子市场的哪些领域看到SiC和GaN的普及应用呢？

IDTechEx的最新报告《2025-2035年电动汽车电力电子：技术、市场和预测》分析了Si IGBTs、SiC MOSFETs和GaN HEMTs的采用情况，以及汽车电力电子市场的发展和技术，以揭示这些市场格局。IDTechEx预计，到2035年，该市场将增长到360亿美元。

SiC MOSFETs已成首选技术

随着设施规模的迅速扩大，SiC MOSFET在性能、可靠性和生产能力方面的障碍已得到解决，其成本大幅下降。尽管SiC MOSFET的平均价格仍比同等的Si IGBT贵3倍，但其特性使其受到特斯拉、现代和比亚迪等厂商的青睐。其他公司也宣称将来会采用SiC MOSFET，包括Stellantis、梅赛德斯-奔驰以及雷诺-日产-三菱联盟等。

SiC MOSFET具有更小的外形尺寸，还可以减小伴随的被动组件（如牵引逆变器中的电感器）的尺寸。通过将逆变器中的Si IGBT替换为SiC MOSFET，BEV可以更轻、更高效，其续航里程也可以增加约7%，从而解决了消费者对续航里程的担忧。另一方面，通过使用SiC MOSFET，可以在减少电池容量的情况下获得相同的续航里程，有助于制造更轻、成本更低、更可持续的车辆。

随着电池容量的增加，通过使用SiC MOSFET实现的总体节能效果也在增加。最初，SiC MOSFET和更大的电池是为具有较大电池的中高端EV保留的。随着MG MG4、BYD Dolphin和沃尔沃EX30等新型主流和经济型车辆的电池容量超过50kWh，SiC MOSFET已渗透到欧洲和中国的主流乘用车领域。这伴随着美国获得的领先优势，特斯拉是第一家在其Model 3中使用SiC MOSFET的主要原始设备制造商。IDTechEx的报告《2025-2035年电动汽车电力电子：技术、市场和预测》预测，在2023年至2035年间，SiC MOSFET的需求将增长10倍，这主要得益于更高的效率和更高电压平台的采用，这些平台将应用于逆变器、车载充电器和DC-DC转换器中。

氮化镓（GaN）的市场现状

碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）都是宽禁带（WBG）半导体。由于氮化镓的禁带宽度甚至比碳化硅更宽，理论上，氮化镓可能在效率上超越碳化硅。硅IGBT（绝缘栅双极型晶体管）的开关频率绝对上限是100kHz。对于碳化硅，这一数值提高了一个数量级，约为1MHz，而氮化镓甚至可以高出十倍，达到10MHz。

然而，这仅是一方面，氮化镓在电力电子领域也存在进入门槛。首先，面对超高的开关频率，工程师需要解决多个技术问题，如电磁干扰（EMI）、门控、寄生效应、热效应以及增加的开关损耗等。其次，在器件层面，SiC MOSFET和GaN HEMT实际上有很大差异。氮化镓器件通常生长在硅衬底上，而碳化硅则使用原生碳化硅衬底。虽然硅衬底的成本远低于碳化硅和蓝宝石等替代品，但它限制了氮化镓器件的潜力，使其仅限于横向配置和低电压，无法用于电动汽车的牵引逆变器，后者通常在600V-1200V和数百千瓦的功率下运行。

为解决这些问题，有些替代方案和不断发展的技术，可能推动氮化镓在高压电力电子领域的进步，例如垂直氮化镓器件和多级拓扑结构。IDTechEx在其报告《2025-2035年电动汽车电力电子：技术、市场和预测》中分析了这些技术和公司。值得注意的是，氮化镓在车辆低压辅助电子设备中占据了显著的市场份额，这些设备不仅存在于电动汽车中，也存在于轻度混合动力汽车和内燃机汽车中。

氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）的未来

IDTechEx预测，到2035年，碳化硅MOSFET的市场份额将超过50%，并伴随着汽车功率半导体市场的显著增长。碳化硅MOSFET为电动汽车市场中的许多问题提供了解决方案，如续航里程焦虑、快速充电、可持续性和800V架构的兴起。

然而，IDTechEx也承认，氮化镓将在未来五年内进入电动汽车电力电子市场。这一市场进入将因组件而异：车载充电器、DC-DC转换器将较早采用，而牵引逆变器则较晚。尽管氮化镓目前尚未达到这一水平，但基板技术、垂直器件和多级拓扑结构的发展将伴随汽车功率半导体领域的大公司如罗姆、英飞凌和瑞萨的投资。这将很快使氮化镓成为电动汽车电力电子的现实且广泛应用的解决方案。

在未来十年里，人们可以期待在电动汽车电力电子生态系统中硅（Si）、碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）共存。

来源：TechSugar

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