如何赢得一半以上的碳化硅MOSFET市场份额，并将其持续扩大

随着全球能源结构的升级不断深入，宽禁带半导体器件因为其优势特性而备受行业内关注。ST在碳化硅领域投资已经超过25年，获得了全球50%以上的SiC MOSFET市场份额；并且在氮化稼领域也积极开展技术研发和资本投入，加快推进GaN战略。


近日ST专门召开了宽禁带半导体线上媒体沟通会，意法半导体汽车和分立器件产品部（ADG）执行副总裁，功率晶体管事业部总经理Edoardo MERLI针对宽禁带半导体的技术优势、战略布局进行了精彩的分享。

宽禁带器件的优势和当前局限

据IEA（International Energy Agency）预测，电力消耗的需求持续增长，从2020到2030全球电力需求增长率将超过30%。而另一方面，受制于全球环境恶化的重重压力，全球约定的碳排量需要大幅降低，可再生能源的发电比率需要持续提高。
从2019年的用电比例来看，工业是用电量大头。全球工业用电效率提高1%，则可节约出约15个核电站的发电量。从电能产生、到电能输送、存储到最终使用，如何从整个电力转换链上进行提高能源利用效率，增加可再生能源使用率是整个行业关注的热点话题。而诸如SiC和GaN这类宽禁带器件因为其天然的特性，相比传统的硅器件有着更好的效能。

与传统的硅基器件相比，GaN和SiC的工作电压更高、开关速度更快、导通电阻更低，因此在能效方面可以做到超越。虽然都是宽禁带器件，但GaN和SiC的器件特性也有着明显的差异，其中SiC的工作电压要比GaN高得多，因此更适用于高压的应用中，譬如汽车和工业等大功率系统设备中；而GaN的开关频率要更快，因此更适合快充、射频开关等应用领域，例如一些小型化的电源适配器等、射频开关等。借助SiC和GaN这类宽禁带器件，可以在传统拓扑上实现更简单和高效的设计，从而实现系统层面上整体的成本降低，实现小型化和轻量化。
得益于宽禁带半导体的这些优势，在工业、消费、电动汽车等领域都可以帮助产业实现更高能效升级。其中电动汽车作为能源结构升级的重要应用领域之一，各国和各地区都做出了转型的承诺。受益于整个汽车产业的范式转变，碳化硅器件的需求将会持续扩大。


以电动汽车的逆变器为例，SiC MOSFET逆变器相比IGBT逆变器可以实现更高的集成度、更小的体积，并且将开关损耗减少80%。据Edoardo Merli分享，采用SiC MOSFET逆变器的电动汽车，在全工作负载的情况下，整体的能效都要比IGBT逆变器好得多。而且实际汽车的使用过程中，超过95%的工况都是在低负载的情况，这种低负载工况下IGBT逆变器和SiC MOSFET逆变器的能效比相差了3～4个百分点。
虽然宽禁带器件有着领先传统硅材料器件的优势，但在生产良率、成本、系统集成、可靠性等方面与非常成熟的硅工艺而言仍有着不小的差距。



碳化硅已经实现了大规模的商用，但相比硅材料在生产上需要的条件更为严苛，需要更高的温度、更新的工艺和其他加工条件。在产出率和工序方面，碳化硅仍然落后于硅。如何实现工艺上的迭代升级、提高生产良率和可靠性，是SiC器件要解决的关键问题。而GaN的可靠性不足是其在进入工业和汽车等领域一个限制，此外在更高压的工作条件下实现更高的开关频率仍需要业界进行摸索。
另外在设计上，宽禁带器件的驱动特性与传统硅器件有所不同，在开发者进行新材料器件集成的时候，做到直接的器件替换并不轻松，需要对整个驱动电路进行相应的改进，做到良好的驱动电路与主晶体管的匹配，才能实现最佳的能效表现。因此很多宽禁带器件厂商通常也会推出配套的驱动器件，或者是合封的模块，方便开发者进行系统集成。但总体而言，要在传统硅器件应用中进行替换，仍需要开发者投入一些额外的工作量。


总体而言，作为一种新材料器件，提高可靠性、降低成本、让开发者实现更便捷的设计等工作仍需要业界努力，宽禁带器件的发展仍在路上。

ST的SiC和GaN产品布局

ST在宽禁带器件上的投资布局也是由来已久。在SiC领域ST已经深耕25余年，当前有超过50%的SiC MOSFET市场份额，在汽车领域占比甚至达到了60%，预期到2024年将会达到10亿美元的年度盈利。

在产品迭代上ST的SiC器件已经实现了一代、二代和三代SiC产品的量产出货；第四代的SiC产品预计也将在今年年底通过认证测试，从明年开始推向市场。如下图所示，Rds（on）x Area和Rds（on）x Qg是SiC器件的重要性能参数，而ST的SiC器件每次迭代过程中都会实现大约20～25%的改良，从而实现了性能的提升和成本的降低。

客户提供广泛的产品组合，方便客户挑选更适合的产品解决方案，是ST一直坚持的产品策略。在SiC产品布局上，ST也正在推出不同封装类型的产品，其中既包括分立封装的器件，也包括多裸片合封的模块化产品，例如例如，ACEPACK1-2和ACEPACK DRIVE，通过平台化的模块封装，来简化用户的设计难题。


在GaN电源产品规划方面，ST有PowerGaN和MasterGaN两个产品组合，PowerGaN主要是分立GaN晶体管，而MasterGaN则是驱动和晶体管组成的系统级封装。除了以上两个电源方面的产品组合外，ST同样也在规划针对移动基站的GaN PA。

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