近年来，基于硅（Si）和砷化镓（GaAs）半导体材料的功率器件由于材料性能限制，正在逼近物理极限，产业发展进入瓶颈期。 以碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）为代表的第三代半导体材料具有大禁带宽度、高击穿电场强度、高热导率、高电子饱和率等特点，越来越受到人们的关注。 应用范围广泛。
工业市场对产品的可靠性和稳定性有更高的要求，因此SiC和GaN器件在工业市场有更大的市场应用空间。 意法半导体（ST）是工业半导体市场的领先供应商之一。 近年来还持续推动SiC、GaN器件在工业领域的应用。
近日，意法半导体举办了行业媒体交流会。 意法半导体亚太区功率分立与模拟产品部区域营销与应用副总裁穆杰利介绍了SiC和GaN器件在工业领域的发展情况，以及意法半导体相关产品解决方案。
SiC在工业领域将保持平均12%的增速
SiC是第三代半导体材料的代表。 目前硅基应用大多在1000V以下，大约在600~900V。 如果超过1000V，芯片尺寸就会非常大，开关损耗和寄生电容也会增大。 SiC器件相对于Si器件的优点是减少能量损失、更容易小型化以及更好的耐高温能力。
在工业市场，SiC器件主要应用于直流充电桩、智能电网、工业电力等领域。 例如，SiC功率器件在智能电网中的主要应用包括高压直流输电换流阀、柔性直流输电换流阀、柔性交流输电等。 在装置、高压直流断路器等电力电子变压器装置中可以带来高效率、大功率、高频的优势。 其中，SiC预计2018年至2025年在工业领域将保持12%的平均增速。
穆杰利表示，意法半导体拥有广泛的SiC器件解决方案，包括分立器件、裸芯片、模块以及不断扩大的产能，以支持市场的加速扩张。 在本次交流会上，意法半导体展示了采用SiC器件和数字控制的15kW双向PFC（3级T型）。 该解决方案涵盖32位MCU、SiC、电隔离栅极驱动器、模拟温度传感器和高压转换器。 SiC组合可实现70kHz高开关频率运行，实现更高的运行效率。 预计一年内至少节省能源330千瓦（以每天运行12小时为例）。
意法半导体非常重视SiC器件的开发。 去年12月，意法半导体完成了对瑞典SiC晶圆制造商的整体收购。 目前SiC晶圆供应短缺。 意法半导体收购股权，一方面是为了扩大SiC的供应，另一方面也是看中了其新技术。
意法半导体总裁兼首席执行官Jean-Marc Chery表示：“在全球碳化硅产能有限的环境下，整体并购将有助于加强意法半导体内部SiC生态系统，提高我们的生产灵活性，使我们能够更好地控制芯片良率，提高质量，支持我们的长期碳化硅规划和业务发展。”
据悉，一种能够提高SiC晶圆质量并降低成本的制造技术正在开发中。 收购后，意法半导体将能够加强SiC的垂直整合，形成成本优势。 融入意法半导体的全球研发和制造业务将有助于芯片和外延片生产的持续发展，以及200毫米晶圆和更广泛的宽带隙材料的开发。
适用于低压高频，GaN充电领域启动快
由于GaN的带隙较大，利用GaN可以获得更大的带宽、更大的放大器增益和更小的半导体器件。 在工业市场，GaN器件产品包括SBD、FET等用于无线充电、电源开关等的产品。目前市场上的GaN充电器可以支持USB快充，功率大多为27W、30W和45W。
在本次会议上，意法半导体推出了一款采用GaN FET SiP半桥驱动器的65W Type-C & PD充电器。 该解决方案的驱动器采用与两个650V GaN FET相同的封装，开关频率比市场标准高1.5至2倍。
意法半导体也非常重视GaN的发展。 今年2月，意法半导体宣布与台积电在GaN领域加强合作。 意法半导体将采用台积电的氮化镓工艺技术来生产GaN产品。 台积电业务发展副总经理张晓强表示，期待与意法半导体合作，将GaN电力电子技术的应用带入工业和汽车功率转换领域。 台积电的氮化镓制造专业知识与意法半导体的产品设计和汽车级验证能力相结合，将显着提高能源效率并支持工业和汽车功率转换应用。
近期，意法半导体还收购了法国GaN创新企业的多数股权。 在GaN外延工艺、产品开发和应用方面拥有丰富的经验。 意法半导体收购其，将拓宽GaN产品在工业、汽车等领域的应用和发展。
意法半导体总裁兼首席执行官Jean-Marc Chery表示：“意法半导体在碳化硅方面势头强劲，现在我们正在扩大对另一种有前景的复合材料氮化镓的投资，以促进汽车、工业和消费市场的客户采用GaN功率产品。”
新基建加速第三代半导体在工业市场的应用
近期，我国开始大力推进新基建的实施。 这将有效促进SiC、GaN等第三代半导体的应用拓展。
穆杰利表示，新基建对于SiC器件来说是一个巨大的机遇，ST已与市场主要厂商合作来满足这一新要求。 ST与客户共同开发解决方案，并通过开发专用SiC产品来开发带有MCU的数字控制解决方案。 ST还在研究其他组件，例如在充电站充电时，需要汽车和充电站之间进行通信并设置需要传输的电能量。
同时，穆杰利认为，GaN器件也有自己的市场空间。 GaN的优点是其开关频率非常高。 高开关频率意味着可以使用更小的无源元件。 如果需要减小器件的整体尺寸，GaN将发挥重要作用。
据穆杰利估算，在他负责的亚洲市场，2019年SiC产业市场规模为1.5亿美元。 这是一个非常乐观的数字。 关于GaN，人们还可以看到一些应用，比如一些公司推出的充电器以及一些针对图腾柱技术的设备。 因此，亚洲工业GaN市场规模预计接近2500万美元。
至于SiC和GaN的量产成本仍高于Si，这是否会影响工控用户的意愿？ 穆杰利认为：“用户将做出明智的选择。哪些设备使用SiC或GaN，客户将在哪里获得更低的费用/成本，例如更低的个人电费、更短的手机充电时间、更快的汽车充电时间、更低的耗散电力、清洁能源解决方案等。在这种情况下，客户会发现成本并没有想象中那么高。我们为价值付费，尤其是在B2B市场。所以如果解决方案能够满足客户的需求和整体成本，而不是比一台设备的成本相对较低，这对市场有利。”
“当然，宽带隙技术距离成熟还有很长的路要走。 但我们不应该让价格限制它。 我们都知道，随着产量的增加，成本会下降。 我们不应该把它作为首要任务。 ”穆洁莉指出。
