能源轉(zhuǎn)型的挑戰(zhàn)涉及不同的市場。電動汽車 (EV) 的技術(shù)進步正在降低成本，但最重要的是提供了許多消費者所需的更大范圍效率。更高功率密度的電池、更高效的電動機以及用于整個動力系統(tǒng)的新型寬帶隙半導(dǎo)體解決方案的組合正在推動市場的發(fā)展。氮化鎵 (GaN) 是一種具有顯著本征特性的寬帶隙材料。它在系統(tǒng)級別提供了許多優(yōu)勢，以獲得更好的性能。

Yole Développement (Yole) 的技術(shù)和市場分析師 Ahmed Ben Slimane 和 Poshun Chiu 表示：“更高功率密度的設(shè)備和更低的系統(tǒng)重量是增加范圍的兩種方法?！?“ GaN可以在更高的頻率下以更高的效率運行，性能優(yōu)于 Si [硅] MOSFET 器件，因此可以減少系統(tǒng)中無源元件的數(shù)量并提高功率密度?！?/p>

Ben Slimane 和 Chiu 指出，從 2022 年開始，GaN 有望小批量滲透，主要與 OEM 和 Tier 1 的采樣有關(guān)。“預(yù)計 GaN 將滲透 48V 至 12V DC/DC 轉(zhuǎn)換器，我們已經(jīng)看到在輕度混合動力 EV [MHEV] 汽車中標(biāo)準(zhǔn)化 48V 系統(tǒng)的趨勢，以增加功率輸送并減少電阻損耗，”說本·斯利曼和邱。

Yole 指出，另一個代表 GaN 良好機會的市場是車載充電器 (OBC)，在該市場中，GaN 非常適合滲透低功率充電器范圍（3 千瓦到幾十千瓦）?！暗?，總的來說，GaN 將與 SiC [碳化硅] 和 Si 競爭，”Ben Slimane 和 Chiu 說?！坝绕涫?SiC，將在更高功率和更高電壓 [超過 1,200 V] 中受到青睞，尤其是在逆變器級別?！?/p>

Yole 預(yù)計 2026 年功率 GaN 器件汽車和移動市場將超過 1.55 億美元。

氮化鎵

“像任何新技術(shù)一樣，它需要一定的技術(shù)可靠性和工業(yè)成熟度，以及進入大眾市場的可接受的性能/成本比，”Ben Slimane 和 Chiu 說?！巴ㄟ^進入功率快速充電器市場，GaN 無疑將轉(zhuǎn)向大批量生產(chǎn)，規(guī)模經(jīng)濟將隨之而來?！?/p>

氮化鎵的帶隙為 3.2 電子伏特 (eV)，比硅的帶隙高近 3 倍，相當(dāng)于 1.1 eV。這意味著需要更多的能量來激發(fā)半導(dǎo)體導(dǎo)電帶中的價電子。雖然這種特性限制了 GaN 在超低電壓應(yīng)用中的使用，但它的優(yōu)勢在于允許更高的擊穿電壓和更高的溫度下更高的熱穩(wěn)定性。GaN 大大提高了功率轉(zhuǎn)換級的效率，在高效電壓轉(zhuǎn)換器、功率 MOSFET 和肖特基二極管的生產(chǎn)中作為硅的寶貴替代品。與硅相比，GaN 提供了重要的改進，例如更高的能效、更小的尺寸、更輕的重量和更低的總成本。

GaN 和 SiC 都是寬帶隙材料。雖然這些材料具有出色的性能，但它們的特性、應(yīng)用和柵極驅(qū)動要求是不同的。SiC 可以在高功率和超高壓（650 V 以上）應(yīng)用中與 IGBT 晶體管競爭。同樣，在電壓高達(dá) 650 V 的電源應(yīng)用中，GaN 可以與當(dāng)前的 MOSFET 和超級結(jié) (SJ) MOSFET 競爭。

Ben Slimane 和 Chiu 表示：“如果我們首先關(guān)注功率 GaN 中的各種襯底，那么今天的 GaN-on-Si 代表了更大的市場份額，因為很少有廠商使用藍(lán)寶石上的 GaN?！?“隨著行業(yè)從 6 英寸發(fā)展到 8 英寸，我們將在 GaN-on-Si 平臺上看到更多參與者。目前，很少有廠商采用8英寸平臺。例如，Innoscience 和 X-Fab 以及其他一些參與者正在為未來幾年做準(zhǔn)備。隨著晶圓尺寸的增加，外延方面的一些挑戰(zhàn)需要解決。為了解決8英寸平臺上的晶圓彎曲和裂紋問題，采用復(fù)雜的外延結(jié)構(gòu)來補償晶格和熱系數(shù)的不匹配。開發(fā)良好的外延工藝至關(guān)重要，因為 GaN 是在異質(zhì)硅襯底上生長的，

Yole 評論說，GaN-on-Si 也被視為汽車應(yīng)用的平臺。但考慮到與 Si 和 SiC 的競爭，GaN 可能成為汽車和移動領(lǐng)域中等功率應(yīng)用的候選材料。

“其他新興襯底也對 GaN 感興趣——例如 SOI、QST 或體 GaN，”Ben Slimane 和 Chiu 說?！伴_發(fā)集成或垂直器件的潛力取決于應(yīng)用，并且將密切關(guān)注 GaN 器件的發(fā)展趨勢。說到這些新興基板的供應(yīng)鏈，它仍處于開發(fā)階段，產(chǎn)量較低，最終用戶采用新技術(shù)可能需要時間。”

Yole 指出，人們對在高功率應(yīng)用中使用 GaN 產(chǎn)生了相當(dāng)大的興趣，例如電動汽車的逆變器?！叭欢?，今天，在硅或藍(lán)寶石襯底上生長的主要橫向 GaN HEMT 仍然容易受到表面擊穿的影響，因此，一些參與者正在關(guān)注低電流和 650 V 左右的電壓，隨著高壓商業(yè)化的發(fā)展GaN 器件，”Ben Slimane 和 Chiu 說。

對于高功率應(yīng)用，橫向結(jié)構(gòu)中的芯片尺寸必須增加，或者 GaN 必須采用垂直結(jié)構(gòu)，例如需要同質(zhì) GaN 襯底的 SiC 和 Si IGBT，而迄今為止，這種結(jié)構(gòu)的尺寸受到限制并且具有高成本。? ???

GaN 市場（來源：Yole）

一體化

電動汽車市場仍面臨兩大挑戰(zhàn)：成本和續(xù)航里程。后者被認(rèn)為是完全采用電動汽車的主要趨勢。降低成本和提高系統(tǒng)效率的一種方法是集成動力總成。集成涉及細(xì)致的設(shè)計以及對安全概念和潛在相互作用的透徹理解。集成還減少了對多余包裝材料的需求并消除了冗余硬件，從而顯著降低了系統(tǒng)的重量和體積。

德州儀器 (TI) 高壓電源產(chǎn)品營銷和應(yīng)用經(jīng)理 Ramanan Natarajan 表示：“將動力總成系統(tǒng)集成到緊湊的機械外殼中可以帶來更實惠、更高效的電動汽車?！皩崿F(xiàn)這一目標(biāo)的關(guān)鍵挑戰(zhàn)包括：(a) 減小電感器和變壓器等笨重組件的尺寸以及整體 PCB 尺寸，(b) 降低功率損耗以簡化熱管理——這在兩者兼而有之時尤為重要組合在一起的系統(tǒng)將同時運行，例如牽引逆變器 + 高壓至低壓 DC/DC 轉(zhuǎn)換器——最后，(c) 重量和外形因素的機械考慮因素決定了沖擊和振動測試的性能。憑借其低開關(guān)功率損耗，GaN 可以實現(xiàn)更小、更輕、

使集成推進架構(gòu)成為現(xiàn)實還需要實時微控制器來處理電源轉(zhuǎn)換的復(fù)雜需求。除了實時控制，提高效率的創(chuàng)新還包括更高功率密度的管理。采用符合汽車標(biāo)準(zhǔn)的 GaN 技術(shù)等技術(shù)的電動汽車可以通過以更高的效率運行和節(jié)省熱能來幫助延長行駛里程。這意味著更少的冷卻組件和更低的成本。

動力總成

GaN 是一種用途極為廣泛的半導(dǎo)體材料，可以在高溫和高壓下工作，有助于有效滿足各種通信和工業(yè)設(shè)計的要求。電動汽車領(lǐng)域的挑戰(zhàn)之一是快速高效的充電。GaN 技術(shù)可以提供快速充電，以更高效的方式使用能源。?

GaN FET 解決方案將使功率密度增加一倍，同時通過集成柵極驅(qū)動器提供約 60% 的尺寸減小和高達(dá) 2.2 MHz 的開關(guān)速度。

“GaN FET 非常適合電動汽車中的 AC/DC 車載充電器和高壓到低壓 [HV-to-LV] DC/DC 轉(zhuǎn)換器，”Natarajan 說。“原始設(shè)備制造商要求這些動力總成系統(tǒng)提供越來越多的動力，以減少電動汽車的充電時間，但同時又不增加其尺寸，因為汽車的乘客空間不會受到影響。實現(xiàn)高功率密度的關(guān)鍵是在高開關(guān)頻率下保持高效運行。GaN FET 可以以 >100 V/ns 的速度開關(guān)并且它們具有零反向恢復(fù)。因此，它們的開關(guān)功率損耗極低。”

Natarajan 指出，提高 GaN 效率的最佳 EV 拓?fù)洌娐罚┌ǎ簣D騰柱無橋功率因數(shù)校正 (PFC) 以及用于車載充電器的 CLLC 和 LLC 諧振 DC/DC 轉(zhuǎn)換器（C = 電容器，L =電感器），以及用于 HV 到 LV DC/DC 轉(zhuǎn)換器的相移全橋和硬開關(guān)脈寬調(diào)制轉(zhuǎn)換器。

電動汽車中的牽引逆變器需要具有數(shù)百安培電流能力的電源開關(guān)，以支持?jǐn)?shù)百千瓦的電力。Natarajan 表示，這些系統(tǒng)更適合 Si IGBT 或 SiC MOSFET；另一方面，額定功率高達(dá) 25 kW 的車載充電器和 HV-LV DC/DC 轉(zhuǎn)換器非常適合 GaN。

由于 GaN 和其他寬帶晶體管在結(jié)構(gòu)和材料上與硅器件不同，因此它們需要量身定制的測試指南以確保器件的可靠性。測試指南是提高對 GaN 可靠性的信心和加速全行業(yè)采用的關(guān)鍵。

審核編輯 黃昊宇