第三代功率半导体道阻且长

在第18届长三角（上海）汽车电子产业链高峰论坛上，“第三代功率半导体的现状与前景”成为与会嘉宾深度探讨的话题之一。

渐成主流

“功率器件可以理解为一个快速的电子开关，通过这个开关的‘开’和‘关’就能驱动电路，实现电流、电压状态的改变。”上海机动车检测认证技术研究中心有限公司项目经理刘力表示，“随着新能源汽车逐步取代燃油车，汽车的电流和电压每次出现变化，都会用到功率器件。”

如今，随着新能源汽车的发展，以碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）为材料的第三代功率半导体，正迅速成为新能源汽车功率器件的主流。相比前两代半导体，第三代半导体材料本身具备高频、高效、节能等特性，不仅可以减少功率器件重量、体积，还能提高转换效率，最终有望促成电动汽车总体成本下降、续航里程提升。

需要注意的是，“第三代半导体”这个称呼，可能会使人误认为是第一代、第二代半导体的升级。事实上，这三者并非迭代关系，而是共存关系，各有各的优势所在。第一代半导体以硅材料为主，在集成电路、光电子、传感器等领域广泛应用，无论是昂贵的显卡、CPU，还是廉价的二极管都属于第一代半导体；第二代半导体以砷化镓（GaAs）、锑化铟（InSb）为代表，主要应用于移动通信、光纤、LED、卫星导航等领域；第三代半导体以碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）为代表，主要应用于新能源汽车、光伏、风电、5G等领域。

“截至目前，半导体最主要的材料依然是硅。”天狼芯半导体首席执行官曾健忠表示。从市场规模来看，目前，第一代半导体依然占据半导体市场超过90%的市场份额。根据咨询机构TrendForce预测，到2025年，第三代功率半导体主要应用于功率器件，市场规模预计超过40亿美元，但与第一代半导体数千亿美元的市场规模相比，依然是九牛一毛。

两大难题

在曾健忠看来，相对不高的市场份额，以及较为复杂的新型材料，成为第三代功率半导体面临的两大问题。“第三代功率半导体有很多问题尚未解决。”曾健忠指出，“大规模替代硅基材料基本不可能实现，而且对于车辆的成本与安全也带来了新的挑战。”

举例来说，由于功率更大，第三代半导体更适合800V高压快充，但产生的热量也更大，车辆的热管理系统将从风冷转向水冷，带来车辆结构的变化；第三代半导体可以匹配更高的操作频率，会要求调整电机磁性材料的稀土配比，增加较多的材料成本；在车辆主驱上，传统IGBT的短路电流保护能力较碳化硅半导体高出5倍之多，当车辆功率器件承受来自油门、刹车、ABS带来的三种冲击，短路必然发生，碳化硅材料要承受住这种冲击，势必需要改动整车电控系统；氮化镓材料则因为其异质结构，晶圆尺寸难以做大，而且面临老化、不稳定性等难题。

“因此，目前来看，第三代功率半导体仍未达到大家想象中的大规模普及程度，第四代功率半导体（以氧化镓为主要材料）更是遥遥无期。”曾健忠说。