引言
功率半導體行業正在經歷一場革命，設備供應商競相利用尖端技術來應對新的應用，這既帶來了巨大的挑戰，也帶來了令人興奮的機遇。其中最重要的是電動汽車，有效利用功率半導體可以增加續航里程、減小動力系統的尺寸和重量、縮短充電時間并降低電池成本。
目前，汽車制造商（OEM）和那些希望在其自身快速發展的行業中摸索前進的各級廠商有多種多樣的解決方案。功率半導體可按其制造材料大致分類，每種材料都有優點和缺點。
傳統的硅材料仍然是一個引人注目的選擇 硅基 IGBT 是主力產品經過多代改進，它們將良好的性能與出色的可靠性和成本結合在一起。此外，它們還可從全球范圍內的眾多供應商處獲得，因此是一種可靠的選擇，也是評判其他解決方案的標準。
碳化硅 MOSFET 是高性能器件的首選。與硅基 IGBT 相比，這些 MOSFET 的效率更高，系統尺寸也更小，但價格卻要高得多。自特斯拉首次將 SiC 引入動力總成逆變器以來，其使用范圍已擴大到許多中高端汽車。
最后是氮化鎵，這種材料在電源適配器中的應用可能讓人耳熟能詳，但尚未以任何明顯的方式滲透到汽車市場。氮化鎵也具有出色的效率，其價格更接近硅。不過，氮化鎵不容易擴展到高電壓，而且普遍被認為不可靠。這種名聲在很大程度上是沒有道理的，但它在汽車應用中缺乏現場數據，有時會成為采用的障礙。
那么，動力總成工程師應該選擇哪種材料呢？硅仍應是標準材料，只有全電動汽車才應考慮使用替代材料。雖然插電式混合動力汽車在電動續航里程和充電方面的改進將使其受益匪淺，但內燃機的后備選擇使其更難證明額外的芯片和工程成本是合理的。
就全電動汽車而言，碳化硅在許多情況下都優于硅。全電動汽車市場正朝著兩條不同的道路發展：一種是續航里程較小的汽車，旨在滿足日常使用的一般需求，另一種是續航里程較大的汽車，可滿足包括長途旅行在內的所有駕駛需求。
從目前的情況來看，那些以較小續航里程為目標的車輛應該堅持在牽引逆變器中使用硅 IGBT。續航里程只需足夠，成本才是更關鍵的因素。或者，可以使用碳化硅或氮化鎵來減小電池尺寸，從而節省成本，而不是提高續航能力。目前，這種計算方法并沒有站在新材料的一邊，但我們可以想象，不久之后就會出現這種情況。
當汽車制造商試圖最大限度地延長續航里程時，碳化硅顯然是最佳解決方案。汽車制造商寄希望于客戶愿意為獲得所需的續航里程而支付溢價，而這些車輛通常都不是經濟型車輛。越來越多的汽車采用 800 V 電池系統，而碳化硅是這一轉變的關鍵推動因素，1200 V 的設備也隨時可用。碳化硅也已成熟到有多家汽車合格部件供應商的地步，它們擁有各自不同的供應鏈。以前的碳化硅芯片供應限制已有所松動。
那么，氮化鎵何時才是正確的選擇呢？預計氮化鎵最早將于 2025 年開始用于車載充電器。這將有助于氮化鎵器件在高可靠性標準的汽車生態系統中變得成熟，并有可能為將其應用于逆變器鋪平道路。雖然目前已有 900 V 和 1200 V 氮化鎵設備，但它們在很大程度上仍處于起步階段，因此可能需要轉向三相拓撲結構，以實現 800 V 電池與廣泛使用的 650 V 設備之間的兼容性。由于性能有望得到改善，目前許多制造商都在計劃采用這種技術，但碳化硅也有 600 V 的器件，這意味著并不能保證氮化鎵一定會被采用。
一旦生態系統足夠成熟，氮化鎵器件的性能將明顯優于硅器件，而價格僅略有上升，因此成本效益分析有利于氮化鎵。在這種情況下，我們可能會看到氮化鎵逆變器用于經濟型汽車，甚至插電式混合動力汽車。
目標市場、電池選擇和設計拓撲結構都會影響半導體材料的選擇。碳化硅已經在這一日益復雜的產品領域找到了自己的方向，而氮化鎵雖然潛力巨大，但前路漫漫。Omdia 可以為希望了解供應情況的動力總成設計人員或希望在供應過程中規劃路線的設備供應商提供支持。
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本文作者
Callum Middleton
半導體行業高級分析師
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