安世半导体，如何赢下第三代半导体市场？

今年6月安世半导体（Nexperia）宣布了在德国汉堡投资2亿美元（约1.84亿欧元），开发下一代宽禁带半导体（WBG），也就是行业热门的第三代半导体，此举引发了业界的广泛关注。

坐拥全球汽车产业的中心地带，欧洲在化合物半导体领域一直实力雄厚。作为在欧洲拥有丰富悠久发展历史的全球领先半导体公司，安世半导体的这一战略投资，显示出公司正加速在这一炙手可热的三代半市场的全球布局，为其在全球范围内争夺更大的功率化合物半导体市场份额奠定了坚实基础。

电气化和数字化浪潮席卷全球，对半导体性能提出了更高的要求。第三代半导体材料SiC（碳化硅）和GaN（氮化镓）正在成为下一代电子设备的核心。

SiC因具有高临界磁场、高电子饱和速度与极高热导率等特点，使得其器件适用于高频高温的应用场景，相较于硅器件，可以显著降低开关损耗。因此，SiC可以制造高耐压、大功率电力电子器件如MOSFET、SBD等，用于智能电网、新能源汽车等行业。

随着全球对新能源汽车的加速推广，SiC的需求呈现爆炸式增长。2022年，欧盟委员会、欧盟议会和成员国达成协议，2035年起使用汽油和柴油燃料的轿车及轻型商用车都将不得在欧盟市场销售，欧盟在制定全球标准方面发挥着举足轻重的作用，这一协议将会产生全球性影响，全球电动化进程也将会加速推进。

EVTank数据显示，2023年全球新能源汽车销量达到1465.3万辆，同比增长35.4%。展望未来，EVTank预计2024年全球新能源汽车销量将达到1830.0万辆，2030年全球新能源汽车销量将达到4700.0万辆。受益于汽车电气化的持续推进，市场对SiC的需求增长明显，据估算，一台新能源汽车对功率半导体的需求是传统燃油车的5-10倍。过去5年，特斯拉和比亚迪等OEM的汽车中SiC MOSFET的采用量出现了惊人的增长。

除汽车应用外，光伏风电和储能成为SiC第二大推动力。根据全球风能理事会（GWEC）发布的《2023年全球风能报告》，预计未来五年（2023-2027年）将有680GW的新装机容量，这意味着到2027年每年新装机容量将达到136GW。

总的来说，“双碳”战略正在驱动SiC实现大幅增长。知名分析机构Yole Group在《2024年第二季度功率SiC和GaN复合半导体市场监测》中指出，到2029年，功率SiC器件市场将达到近100亿美元。

GaN则因具有高临界电场强度、高电子饱和速度与极高的电子迁移率的特点，是超高频器件的极佳选择，适用于5G通信、微波射频等领域的应用。当下，虽然消费应用仍然是推动GaN市场增长的主要动力，但是，汽车和数据中心也正在成为GaN的增长催化剂。GaN技术能够在电源转换拓扑中提供最佳性能，并已在一系列要求严格的工业自动化、服务器、计算和电信基础设施应用中证明了其价值。

由于GaN的带隙比SiC更宽，因此理论上GaN的效率优势可能会超过SiC。SiC的开关频率的绝对上限为约1MHz，而GaN可以提高十倍甚至更高，达到10MHz。因此，GaN HEMT和FET也能够在汽车半导体市场中占有一席之地。Yole预计，到2029年，汽车和数据中心这两大应用有望将Power GaN市场规模提升至24.5亿美元。

第三代半导体在电动汽车、新能源和5G通信等领域展现出广泛的应用前景。作为全球基础半导体器件领域的高产能生产专家，安世半导体在功率半导体领域积累了几十年的深厚经验。据Yole Intelligence 2023年的研究报告显示，过去两年间，安世半导体位列全球功率半导体市场TOP10供应商。凭借在功率半导体领域的实力积淀，安世半导体正积极布局第三代半导体技术，迎接未来的广阔发展机遇！

当下，为了克服电车续航里程和充电速度上的两大短板，电动汽车行业正加速从400V转向800V的电池系统，在这样的转变下，SiC几乎是唯一且完美的选择。800V电压系统需要1200V的耐压功率芯片，所以1200V的SiC功率器件是业界共同的发力方向。

目前安世半导体已成功研发出具有性能优异的1200V SiC MOSFET，主要分为两大类：一类是采用3引脚和4引脚TO-247封装的SiC MOSFET，型号为NSF0XX120L4A0，RDS_(on)分别为30mΩ，40mΩ，60mΩ和80mΩ（取决于客户不同的驱动电压需求）；另一类是采用越来越受欢迎的D²PAK-7表面贴装器件(SMD)封装的NSF0xx120D7A0系列SiC MOSFET产品，有30、40、60和80mΩRDS_(on)值可供选择。

不同规格的RDS_(on)以及封装灵活的SiC MOSFET器件使得安世半导体可以满足电动汽车OBC、充电桩、不间断电源以及太阳能和储能系统等多个汽车和工业应用市场。

虽然这些器件是安世半导体SiC MOSFET产品组合的开山之作，但是他们却在多个参数上都具有一流的性能。

出色的导通电阻温度稳定性：RDS_(on)，即导通电阻，是SiC MOSFET的一个重要衡量指标，因为它会直接关系到导通功率损耗。安世半导体的两款SiC MOSFET的RDS_(on)与其他供应商的同类额定器件相比，高温工作环境下的导通损耗更低。

需要强调的是，许多制造商只关注RDS_(on)标称值，而忽略了一个事实，即随着设备工作温度的升高，RDS_(on)相比室温下的标称值可能会增加100%以上，从而造成相当大的导通损耗，这是目前市场上许多SiC器件性能的限制因素。然而，通过创新工艺技术，安世半导体的SiC MOSFET实现了业界领先的温度稳定性，在25℃至175℃的工作温度范围内，RDS_(on)的标称值仅增加大约30%。

出众的综合品质因数FoM：FoM是衡量功率半导体优劣的一个重要参数指标，该数值越低说明器件总的综合损耗更小，效率更高。FoM指标由器件的导通电阻RDS_(on)和栅极电荷Q_GD的乘积构成，因此，这两个数值要越小越好。除了RDS_(on)出色的温度稳定性以外，安世半导体SiC MOSFET的总栅极电荷QG也较低，这有助于降低栅极驱动损耗，提高器件的开关速度。通过优化栅极电荷的分布，器件的Q_GD/Q_GS比值极低，有效抑制了寄生导通现象，增强了器件的可靠性。

出色的阈值电压稳定性：除了正温度系数外，Nexperia SiC MOSFET的VGS(th)阈值电压器件间分布差异极低，这使得器件并联工作时，在静态和动态条件下都能实现非常均衡的载流性能。较低阈值电压差确保高稳健性，从而延长了产品寿命。

低体二极管正向压降：与竞品相比，安世半导体的SiC MOSFET较低的体二极管正向电压(VSD)有助于提高器件稳健性和效率，同时还能放宽对异步整流和续流操作的死区时间要求。死区时间内低损耗可防止产生过多热量，使得设计人员灵活的选择死区时间。

凭借这些卓越的工作参数，安世半导体的SiC MOSFET大大提高了光伏，工业电源开关及汽车应用的安全性、稳健性和可靠性标准，为电力电子设计人员提供了其他竞争器件难以匹敌的优势。

早在2019年起，安世半导体就开始了GaN的布局，公司与欧洲乃至全球的多所大学与研究机构都开展了合作，例如：加入纳米电子研究中心IMEC的工业联盟计划（IIAP），在GaN技术领域进行了深度交流。

目前，安世半导体是业内唯一可同时提供级联型（Cascode）和增强型（e-mode）氮化镓器件的供应商。GaN的产品组合包括支持高电压、高功率应用的Cascode GaN，支持高电压、低功率应用的650V e-mode器件和支持低电压、高功率应用的100/150V e-mode器件。

其中值得一提的是，安世半导体推出了面向工业和可再生能源应用等领域的33mΩ（典型值）、650V的GaN FET（场效应管）GAN039-650NTB。该器件采用了创新的CCPAK1212i顶部散热封装技术，开创了宽禁带半导体和铜夹片封装结合的新篇章。其尺寸紧凑，仅为12×12毫米，封装高度低至2.5毫米。

CCPAK1212i顶部散热封装技术能够提供出色的开关和导通性能，其稳健可靠的栅极结构可提供较高的噪声容限。这一特性还有益于简化应用设计，无需复杂的栅极驱动器和控制电路，只需使用标准硅MOSFET驱动器即可轻松驱动这些器件。它为工程师提供了简单有效的散热器连接解决方案，相比相同导通阻抗的传统SMD封装器件，功率密度提升了30%-40%，堪称行业的革命性技术。

除了在封装技术上的创新，安世半导体在GaN器件的拓扑结构设计方面也进行了深入研究。提升开关电源的电能转换效率以及提高其功率密度一直是电力电子行业不懈的追求。近几年来，随着宽禁带（WBG）半导体的快速发展，推动了图腾柱（totem-pole）PFC等无桥拓扑的实现。图腾柱PFC能够显著提升电源系统的整体效率，使其在高功率密度和高性能应用中更具竞争力。

其实，无桥图腾柱PFC在很早以前就被提出，但直到最近几年才开始正式应用。主要的问题在于半桥结构中硅基半导体功率器件的体二极管反向恢复性能差，恢复较慢(通常数百ns)，工作于CCM模式时会产生较大的电流倒灌脉冲，引起很大的损耗，足以抵消无桥低损耗的优势，也会提高系统失效风险。为了避免体二极管导通，带有硅基半导体功率器件的图腾柱PFC通常工作在CRM或DCM模式下,这使得开关速度极快，没有体二极管反向恢复问题的高性能GaN功率器件成为CCM模式硬开关无桥图腾柱PFC的理想选择。随着高性能GaN器件的大规模普及，图腾柱PFC将有机会成为最流行最高效的PFC拓扑。

目前，安世半导体的Cascode GaN器件已经应用于图腾柱PFC，在实际应用中，安世半导体的650V Cascode GaN器件在开关频率和效率上表现优异，助力服务器电源客户在2.2kw的ACDC电源上实现了钛金级的能效等级，在半载时的最高效率大于96%。

此外，安世的GaN器件还具备多个技术领先优势，进一步巩固了其市场竞争力：

• 较低的反向恢复电荷（Qrr）：安世半导体的GaN器件的Qrr显著小于超级结（SJ）MOSFET，能够帮助客户在桥式电路上轻松实现连续电流模式的高频控制，可以获得较佳的效率和更高的功率密度。

• 卓越的温度稳定性：其Cascode GaN的传输特性曲线，在高温下和室温也无太大差异。非常适用于工业和汽车市场中的大功率产品应用。

• 优异的反向续流能力：此外，Cascode GaN反向续流的压降比其他宽禁带器件都更低，因此续流电流能力更强。另外，可以帮助客户优化设计更低的死区时间。

安世半导体通过与京瓷、Ricardo、UAES以及三菱电机等行业领先企业的合作，不断推动SiC和GaN等宽禁带半导体技术的创新。公司在汉堡的2亿美元投资将进一步加速这一进程。得益于研发与生产的紧密结合，安世半导体能够快速迭代产品，并确保产品设计符合市场需求。首批高压GaN D-Mode HEMT和SiC二极管生产线已于2024年6月在德国汉堡投产。

对于SiC MOSFET和GaN HEMT等第三代半导体而言，向8英寸晶圆迈进是行业大趋势。8英寸晶圆相比于6英寸晶圆，具有更高的产能和更低的单位晶圆制造成本，有助于降低产品的成本。安世半导体也计划在未来两年内在汉堡建设200毫米SiC MOSFET和GaN HEMT生产线，并开发自己的IP。8英寸产线的建设将为安世半导体未来带来更大的市场机遇，使其能够更好地满足全球客户的需求。

展望未来，硅、SiC和GaN将在电力生态系统中共存，作为业界为数不多的同时具备硅、SiC和GaN技术能力的供应商，安世半导体在汉堡的投资将进一步巩固其市场地位。未来，公司将持续推动三代半导体技术的创新与应用，为电动汽车、工业、新能源等领域提供全面的功率半导体解决方案，助力全球实现可持续发展。