器件|半导体行业深度研究报告( 二 ) 世界500强|中国移动|5g+|5g|芯片

文章插图

文章插图

除了运用在基站，消费电子快充市场是GaN另外一个快速增长的领域。相较于硅基功率器件，GaN能大大缩小手机充电器体积。消费电子级快充主要采用硅基衬底（SiC on Si）。虽然在硅衬底上难生长高质量GaN外延层，但是成本远低于SiC衬底，同时能满足手机充电等较小的功率需求。随着安卓厂商和第三方配套厂商陆续推出相关产品，GaN快充有望在消费电子领域快速普及。

在光电子领域，凭借宽禁带、激发蓝光的独特性质，GaN在高亮度LED、激光器等应用领域具有明显的竞争优势。

SiC有望颠覆汽车功率半导体未来

与GaN同属于宽禁带材料的SiC同样具有饱和电子漂移速度高、击穿电场强度高、热导率大、介电常数小、抗辐射能力强等特点，并且与GaN相比，SiC热导率是GaN的三倍，并且能达到比GaN更高的崩溃电压，因此在高温和高压领域应用更具优势,适用于600V甚至1200V以上的高温大电力领域，如新能源汽车、汽车快充充电桩、光伏和电网。

文章插图

电动车高压化趋势明显。在乘用电动车领域，目前车辆电压普遍300-400V左右。随着技术的发展，车企们追求更强动力性能和快充性能的意愿更为迫切，比亚迪唐的额定电压超过600V，保时捷Taycan电压平台为800V。超级快充和功率提升促使电动汽车不断迈向高压化。

文章插图

电动车碳化硅方案带来四大优势。目前电动车（不包括48V MHEV）系统架构中涉及到功率器件的组件包括：电机驱动系统中的主逆变器、车载充电系统（OBC，On-board charger）、电源转换系统（车载DC-DC）和非车载充电桩。电动汽车采用碳化硅解决方案可以带来四大大优势：

1.可以提高开关频率降低能耗。采用全碳化硅方案逆变器开关损耗下降80%，整车能耗降低5%-10%；

2.可以缩小动力系统整体模块尺寸，以丰田开发的碳化硅PCU为例，其体积仅为传统硅PCU的五分之一；

3.在相同续航情况下，使用更小电池，减少无源器件使用，降低整体物料成本。以电动汽车的6.6kW双向OBC为例，典型AC/DC部分包括四个650 VIGBT、几个二极管和一个700-μH电感，占材料清单成本的70%以上。通过使用四个650V SiC MOSFET实现，只需要230μH的电感。这比基于IGBT的设计降低了将近13%的材料清单成本。

4.缩短电池充电时间，由于更高的充电功率和更小的电池，可以大幅缩短电动车充电时间。

文章插图

文章插图

电动汽车的逆变器、OBC、大功率充电桩对碳化硅需求将大幅度增长。逆变器从整车控制器（VCU）获取扭矩、转速指令，从电池包获取高压直流电，将其转换成可控制幅值和频率的正弦波交流电，才能驱动电机使车辆行驶。电动汽车中，逆变器和电机取代了传统发动机的角色，因此逆变器的设计和效率至关重要，其好坏直接影响着电机的功率输出表现和电动车的续航能力。由于碳化硅的优异特性，围绕SiC MOSFET进一步提高车用逆变器功率密度，降低电机驱动系统重量及成本，成为各车企的布局重点。