用于电动汽车的氮化镓

能源转型的挑战涉及不同的市场。电动汽车 (EV) 的技术进步正在降低成本，但最重要的是提供了许多消费者所需的更大范围效率。更高功率密度的电池、更高效的电动机以及用于整个动力系统的新型宽带隙半导体解决方案的组合正在推动市场的发展。氮化镓 (GaN) 是一种具有显着本征特性的宽带隙材料。它在系统级别提供了许多优势，以获得更好的性能。

Yole Développement (Yole) 的技术和市场分析师 Ahmed Ben Slimane 和 Poshun Chiu 表示：“更高功率密度的设备和更低的系统重量是增加范围的两种方法。” “ GaN可以在更高的频率下以更高的效率运行，性能优于 Si [硅] MOSFET 器件，因此可以减少系统中无源元件的数量并提高功率密度。”

Ben Slimane 和 Chiu 指出，从 2022 年开始，GaN 有望小批量渗透，主要与 OEM 和 TIer 1 的采样有关。“预计 GaN 将渗透 48V 至 12V DC/DC 转换器，我们已经看到在轻度混合动力 EV [MHEV] 汽车中标准化 48V 系统的趋势，以增加功率输送并减少电阻损耗，”说本·斯利曼和邱。

Yole 指出，另一个代表 GaN 良好机会的市场是车载充电器 (OBC)，在该市场中，GaN 非常适合渗透低功率充电器范围（3 千瓦到几十千瓦）。“但是，总的来说，GaN 将与 SiC [碳化硅] 和 Si 竞争，”Ben Slimane 和 Chiu 说。“尤其是 SiC，将在更高功率和更高电压 [超过 1,200 V] 中受到青睐，尤其是在逆变器级别。”

Yole 预计 2026 年功率 GaN 器件汽车和移动市场将超过 1.55 亿美元。

氮化镓

“像任何新技术一样，它需要一定的技术可靠性和工业成熟度，以及进入大众市场的可接受的性能/成本比，”Ben Slimane 和 Chiu 说。“通过进入功率快速充电器市场，GaN 无疑将转向大批量生产，规模经济将随之而来。”

氮化镓的带隙为 3.2 电子伏特 (eV)，比硅的带隙高近 3 倍，相当于 1.1 eV。这意味着需要更多的能量来激发半导体导电带中的价电子。虽然这种特性限制了 GaN 在超低电压应用中的使用，但它的优势在于允许更高的击穿电压和更高的温度下更高的热稳定性。GaN 大大提高了功率转换级的效率，在高效电压转换器、功率 MOSFET 和肖特基二极管的生产中作为硅的宝贵替代品。与硅相比，GaN 提供了重要的改进，例如更高的能效、更小的尺寸、更轻的重量和更低的总成本。

GaN 和 SiC 都是宽带隙材料。虽然这些材料具有出色的性能，但它们的特性、应用和栅极驱动要求是不同的。SiC 可以在高功率和超高压（650 V 以上）应用中与 IGBT 晶体管竞争。同样，在电压高达 650 V 的电源应用中，GaN 可以与当前的 MOSFET 和超级结 (SJ) MOSFET 竞争。

Ben Slimane 和 Chiu 表示：“如果我们首先关注功率 GaN 中的各种衬底，那么今天的 GaN-on-Si 代表了更大的市场份额，因为很少有厂商使用蓝宝石上的 GaN。” “随着行业从 6 英寸发展到 8 英寸，我们将在 GaN-on-Si 平台上看到更多参与者。目前，很少有厂商采用8英寸平台。例如，Innoscience 和 X-Fab 以及其他一些参与者正在为未来几年做准备。随着晶圆尺寸的增加，外延方面的一些挑战需要解决。为了解决8英寸平台上的晶圆弯曲和裂纹问题，采用复杂的外延结构来补偿晶格和热系数的不匹配。开发良好的外延工艺至关重要，因为 GaN 是在异质硅衬底上生长的，

Yole 评论说，GaN-on-Si 也被视为汽车应用的平台。但考虑到与 Si 和 SiC 的竞争，GaN 可能成为汽车和移动领域中等功率应用的候选材料。

“其他新兴衬底也对 GaN 感兴趣——例如 SOI、QST 或体 GaN，”Ben Slimane 和 Chiu 说。“开发集成或垂直器件的潜力取决于应用，并且将密切关注 GaN 器件的发展趋势。说到这些新兴基板的供应链，它仍处于开发阶段，产量较低，最终用户采用新技术可能需要时间。”

Yole 指出，人们对在高功率应用中使用 GaN 产生了相当大的兴趣，例如电动汽车的逆变器。“然而，今天，在硅或蓝宝石衬底上生长的主要横向 GaN HEMT 仍然容易受到表面击穿的影响，因此，一些参与者正在关注低电流和 650 V 左右的电压，随着高压商业化的发展GaN 器件，”Ben Slimane 和 Chiu 说。

对于高功率应用，横向结构中的芯片尺寸必须增加，或者 GaN 必须采用垂直结构，例如需要同质 GaN 衬底的 SiC 和 Si IGBT，而迄今为止，这种结构的尺寸受到限制并且具有高成本。     

GaN 市场（来源：Yole）

一体化

电动汽车市场仍面临两大挑战：成本和续航里程。后者被认为是完全采用电动汽车的主要趋势。降低成本和提高系统效率的一种方法是集成动力总成。集成涉及细致的设计以及对安全概念和潜在相互作用的透彻理解。集成还减少了对多余包装材料的需求并消除了冗余硬件，从而显着降低了系统的重量和体积。

德州仪器 (TI) 高压电源产品营销和应用经理 Ramanan Natarajan 表示：“将动力总成系统集成到紧凑的机械外壳中可以带来更实惠、更高效的电动汽车。“实现这一目标的关键挑战包括：(a) 减小电感器和变压器等笨重组件的尺寸以及整体 PCB 尺寸，(b) 降低功率损耗以简化热管理——这在两者兼而有之时尤为重要组合在一起的系统将同时运行，例如牵引逆变器 + 高压至低压 DC/DC 转换器——最后，(c) 重量和外形因素的机械考虑因素决定了冲击和振动测试的性能。凭借其低开关功率损耗，GaN 可以实现更小、更轻、

使集成推进架构成为现实还需要实时微控制器来处理电源转换的复杂需求。除了实时控制，提高效率的创新还包括更高功率密度的管理。采用符合汽车标准的 GaN 技术等技术的电动汽车可以通过以更高的效率运行和节省热能来帮助延长行驶里程。这意味着更少的冷却组件和更低的成本。

动力总成

GaN 是一种用途极为广泛的半导体材料，可以在高温和高压下工作，有助于有效满足各种通信和工业设计的要求。电动汽车领域的挑战之一是快速高效的充电。GaN 技术可以提供快速充电，以更高效的方式使用能源。 

GaN FET 解决方案将使功率密度增加一倍，同时通过集成栅极驱动器提供约 60% 的尺寸减小和高达 2.2 MHz 的开关速度。

“GaN FET 非常适合电动汽车中的 AC/DC 车载充电器和高压到低压 [HV-to-LV] DC/DC 转换器，”Natarajan 说。“原始设备制造商要求这些动力总成系统提供越来越多的动力，以减少电动汽车的充电时间，但同时又不增加其尺寸，因为汽车的乘客空间不会受到影响。实现高功率密度的关键是在高开关频率下保持高效运行。GaN FET 可以以 >100 V/ns 的速度开关并且它们具有零反向恢复。因此，它们的开关功率损耗极低。”

Natarajan 指出，提高 GaN 效率的最佳 EV 拓扑（电路）包括：图腾柱无桥功率因数校正 (PFC) 以及用于车载充电器的 CLLC 和 LLC 谐振 DC/DC 转换器（C = 电容器，L =电感器），以及用于 HV 到 LV DC/DC 转换器的相移全桥和硬开关脉宽调制转换器。

电动汽车中的牵引逆变器需要具有数百安培电流能力的电源开关，以支持数百千瓦的电力。Natarajan 表示，这些系统更适合 Si IGBT 或 SiC MOSFET；另一方面，额定功率高达 25 kW 的车载充电器和 HV-LV DC/DC 转换器非常适合 GaN。

由于 GaN 和其他宽带晶体管在结构和材料上与硅器件不同，因此它们需要量身定制的测试指南以确保器件的可靠性。测试指南是提高对 GaN 可靠性的信心和加速全行业采用的关键。

审核编辑 黄昊宇