氮化鎵“上車”，能行嗎？
氮化鎵“上車”，能行嗎？
來源：中國電子報(bào)
雖然氮化鎵（GaN）與碳化硅（SiC）同屬于寬禁帶半導(dǎo)體材料，相較于已經(jīng)發(fā)展十多年的碳化硅而言，GaN功率器件是個(gè)不折不扣的“新秀”。它既擁有類似SiC在寬禁帶材料方面的性能優(yōu)勢(shì)，也擁有更強(qiáng)的成本控制潛力。與傳統(tǒng)硅材料相比，基于GaN材料制備的功率器件擁有更高的功率輸出密度和更高的能量轉(zhuǎn)換效率，并可以使系統(tǒng)小型化、輕量化，有效降低電力電子裝置的體積和重量。隨著新能源汽車市場(chǎng)的爆發(fā)式增長，未來在新能源汽車市場(chǎng)，GaN也將迎來屬于自己的一席之地。
多家企業(yè)嘗試讓GaN“上車”
汽車領(lǐng)域是GaN在大功率器件中的重點(diǎn)應(yīng)用場(chǎng)景。Yole數(shù)據(jù)表明，傳統(tǒng)車和新能源車會(huì)是GaN功率器件的全新應(yīng)用場(chǎng)景，到2026年市場(chǎng)規(guī)模會(huì)從2020年的30萬美元增加到1.6億美元。
如今，已有多家企業(yè)嘗試讓GaN“上車”。在 PCIM Europe 2020 上，GaN Systems 首席執(zhí)行官 Jim Witham 介紹了一款 All-GaN（全氮化鎵）汽車，采用可再生能源的太陽能蓄電池，證明了 GaN 在汽車功率轉(zhuǎn)換方面的可行性，同時(shí)也證明了GaN適合所有需要更高電壓、頻率、溫度和效率的應(yīng)用。
安世半導(dǎo)體也前行在讓GaN“上車”的路上，據(jù)安世半導(dǎo)體MOS業(yè)務(wù)集團(tuán)大中華區(qū)總監(jiān)李東岳介紹，安世半導(dǎo)體已經(jīng)采用GaN材料開發(fā)出針對(duì)900V高壓的車載產(chǎn)品，且未來還有針對(duì)1200V產(chǎn)品的計(jì)劃，這打破了GaN僅適用于中低壓產(chǎn)品的傳統(tǒng)思維。
“電動(dòng)汽車對(duì)高效率、高功率密度有著嚴(yán)苛的要求。通過節(jié)約零組件對(duì)車內(nèi)空間的占用，讓乘坐空間更加舒適。針對(duì)高功率密度、強(qiáng)續(xù)航能力等需求，目前的硅功率半導(dǎo)體材料器件已經(jīng)發(fā)展到瓶頸期。氮化鎵器件的開關(guān)速度比硅MOSFET快很多，在高效率和高功率密度方面更能符合電動(dòng)汽車的需求?！?李東岳表示。
車用氮化鎵存在四大挑戰(zhàn)
盡管GaN功率器件在性能、效率、能耗、尺寸等方面較硅功率器件均有數(shù)量級(jí)的提升，但也面臨著許多瓶頸。盡管新能源汽車對(duì)于GaN而言是一個(gè)具有未來的全新應(yīng)用場(chǎng)景，但是如今依然面臨著挑戰(zhàn)。
據(jù)了解，在新能源汽車領(lǐng)域，GaN面臨最大的挑戰(zhàn)在于，由于車規(guī)級(jí)認(rèn)證過程較慢，對(duì)器件的可靠性和安全性要求較高，并且GaN要同時(shí)面臨硅器件和SiC器件的競爭，因此只有GaN做得足夠好，成本足夠低，才可以有較強(qiáng)的競爭力，否則難以進(jìn)行大規(guī)模應(yīng)用和普及。此外，由于硅基GaN功率器件的工作電壓較低，而耐高壓的SiC基GaN功率器件又比較貴，因此法國Yole公司預(yù)估，GaN功率器件要到2025年后，才有可能在電動(dòng)車上進(jìn)行部署。
李東岳也認(rèn)為，車用氮化鎵主要存在四方面的挑戰(zhàn)：一是車用領(lǐng)域的功率要求波動(dòng)較大，需要在所有工況下，保持器件參數(shù)的長期穩(wěn)定;二是車規(guī)功率器件長期處于高振動(dòng)、高濕度、高溫度的工作環(huán)境，要求器件在應(yīng)對(duì)熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力的過程中有著極高的可靠性;三是車在裝備的過程中，在體積重量和制造成本上都有嚴(yán)格的要求，功率器件必須契合汽車裝備本身的需要;四是車規(guī)器件需要做到15年到20年的使用壽命，技術(shù)門檻很高。
未來依然有望領(lǐng)跑
盡管困難重重，與傳統(tǒng)硅功率器件以及碳化硅相比，GaN憑借其特有的優(yōu)勢(shì)，未來依然有望得到大規(guī)模應(yīng)用。目前GaN在新能源汽車應(yīng)用尚未大規(guī)模起量，但仍是一個(gè)具有潛力的應(yīng)用方向。而我國寬禁帶半導(dǎo)體在新能源汽車領(lǐng)域最大優(yōu)勢(shì)在于擁有全球最大市場(chǎng)，若能從應(yīng)用牽引切入，對(duì)寬禁帶半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展將會(huì)有極大的促進(jìn)作用。
IMEC實(shí)驗(yàn)室在此前也曾宣布，工作電壓可達(dá) 1200V的硅基GaN外延片，若是商業(yè)化順利，硅基GaN功率器件在新能源車上的應(yīng)用將會(huì)提前。
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