在 PCIM Europe 2020、SEMICON China 2020 等一些與功率半導體相關的國際會議上，以 GaN（氮化鎵）和 SiC（碳化硅）為代表的寬帶隙（WBG）半導體繼續占據著演講臺的“C 位”，尤其是 GaN 在未來汽車中的角色更是令人興奮，為未來很長一段時間的行業發展帶來了機遇。今天就談談 GaN 和汽車究竟是什么關系，當然也少不了提及其同門兄弟 SiC。

氮化鎵欲復制功率 MOSFET 的成功

歷史總是驚人地相似。EPC 公司 CEO 兼共同創始人 Alex Lidow 博士講了一個故事：“44 年前，當我第一次開發功率器件時，‘獸中之王’是硅功率雙極晶體管。”1978 年，他的國際整流器公司（IR）推出了功率 MOSFET，作為一種更快速度的替代品，它取代了較慢和老化的雙極器件。功率 MOSFET 的早期采用者是兩極不夠快的應用。其采用的標志性例子是臺式計算機開關電源，先是蘋果，然后是 IBM。
他說，直到 20 世紀 80 年代中期，功率 MOSFET 的量產才使功率 MOSFET 的成本與雙極晶體管相當。那時，IR 發起了替代雙極晶體管的進攻，目標是占據雙極晶體管市場最大份額的摩托羅拉。作為回應，摩托羅拉強調，MOSFET 存在可靠性、高價格和不可靠的供應鏈等問題。

盡管如此，功率 MOSFET 仍然在雙極晶體管之前占主導地位的應用中獲得了認可。摩托羅拉認識到這項新技術的優勢，也推出了功率 MOSFET，并承諾兩項技術“我們都做，所以從我們這里購買最好”。問題是，它沒有做出最好的功率 MOSFET，最終輸掉了半導體材料之爭。

具有諷刺意味的是，如今功率 MOSFET 是“獸中之王”，而硅基氮化鎵（GaN-on-Si）功率器件則是挑戰者。GaN 晶體管開關比 MOSFET 快 10 倍，比 IGBT 快 100 倍。GaN 是不是會復制功率 MOSFET 的成功歷史呢？

堂前燕飛入百姓家

在 CES 2020 通過手機充電器引爆主流消費市場之前，GaN 功率市場的驅動力主要是那些成本不敏感的高端和高性能應用，如航空航天、軍事領域等。這些應用需要的就是高性能、高頻開關、低導通電阻和較小封裝尺寸的芯片或模塊。

GaN 功率器件的開始了舊時王謝堂前燕飛入尋常百姓家的變化，更是出現了新產品目不暇接的局面，GaN 終于迎來了自己的顛覆時刻。

GaN 功率器件正向大功率進發

我們看到，基于 GaN 的解決方案具備更高效率、可靠性和功率密度，因此可以提升各種功率系統的性能，其功率密度是硅 MOSFET 所無法實現的。2020 年，GaN（還有 SiC）在成本方面已達到廣泛采用的程度，盡管其總的市場份額仍然很低。隨著成本下降，預計到 2025 年這些器件的年復合增長率將接近 30%。

GaN 可能無處不在

為了使產品在競爭中脫穎而出，或實現無法達到成本和性能目標的一些產品，GaN 已進入電子行業的視野，其性能、可靠性和解決方案引起了業界廣泛關注。在這方面，GaN Systems 銷售和營銷副總裁 Larry Spaziani 有話要說。

他指出，寬帶隙市場的推動力在于，其材料具有比硅相寬很多的帶隙，可以在高電壓、高溫度和高頻率下工作，滿足不斷增長的提高能源效率和延長電池壽命的需求。“GaN 會走向何方呢？它幾乎無處不在。這一預測可以從各細分市場的亮點和進展中看出。”Larry Spaziani 說。

先來看 AC/DC，2019 年末，GaN 已出現在適配器中，2020 年開始大規模量產。功率密度要達到 100W/in3，效率達到 99%，就必須使用寬帶隙。先是 SiC 二極管進入市場，而現在 GaN 開始在服務器開關電源領域占據主導地位。服務器電源正在向 48V 和 100V 的 GaN 和低壓硅結合的方向發展，這一趨勢已經顯現。到 2024 年，幾乎每臺服務器的 AC/DC 側都將由寬帶隙控制，在 48V AC/DC 側將有顯著的 GaN 含量。

電機是全球耗電大戶，盡管電壓很高，硅仍然是主流。不過，GaN 和 SiC 都在向高效率變頻驅動的電機驅動系統進軍。但這個市場非常保守，適應新技術的速度很慢，到 2025 年將有 10%到 15%的替代率。

Larry Spaziani 認為，在成本高度敏感、產品種類繁多的消費市場，高端產品已開始轉向 GaN，到 2025 年中后期將達 50%。例如，電視機中的高頻 AC/DC 電源可以做成超薄型。目前，大部分高端音響系統也改用了 GaN。在家用電器方面，全球對效率的要求需要高端壓縮機和功率因數校正（PFC）電路采用 GaN 和 SiC。

太陽能和儲能行業對成本同樣敏感，接受新技術時非常謹慎。但在過去 5 年，寬帶隙產品已經慢慢地滲透到這個市場。雖然 GaN 比 SiC 好，但 GaN 沒有太陽能逆變器所需的高電壓。

高可靠性 / 軍事部分更需要高性能、小尺寸和低重量，對成本不敏感，這是 GaN 和 SiC 最快的采用者之一。正是這個市場證明了寬帶隙優于其他產品的可靠性。

未來，汽車將是寬帶隙產品的最大市場，由于更高的性能和更高的可靠性，GaN 將在 2020 年和 2021 年迎來大規模采用，重點是電動汽車的車載充電器（OBC）、AC/DC 功率轉換和牽引逆變器。

全 GaN 汽車的證明

在 PCIM Europe 2020 上，GaN Systems 首席執行官 Jim Witham 介紹了一款 All-GaN（全氮化鎵）汽車。他說：“GaN 技術正在改變整個行業的游戲規則。最新的 GaN 解決方案、設計工具和產品已在消費類、工業、汽車和數據中心等行業贏得了客戶的廣泛青睞。”

全 GaN 汽車是此前名古屋大學利用 GaN Systems 的技術開發的。它采用可再生能源的太陽能蓄電池，證明了 GaN 在汽車功率轉換方面的可行性，當然也適合所有需要更高電壓、頻率、溫度和效率的應用。

太陽能全氮化鎵汽車

Jim Witham 認為，從 2020 開始，電動汽車行業已建立了積極的性能目標，從業者通過分析每個關鍵電子系統所需的性價比，得出了針對消費者、汽車制造商和 Tier 1 的以下未來目標。

車載充電器成本將從 50 美元 / 千瓦降至 35，降低 30%；比功率（千瓦 / 公斤）將從 3 增加到 4，重量下降 30%；功率密度（千瓦 / 升）將從 3.5 增加到 4.6，體積下降 33%；效率將從 97%增加到 98%，損耗下降 33%。

硅與氮化鎵車載充電器的比較

DC-DC 轉換器成本將從 50 美元 / 千瓦降至 30，成本降低 40%；比功率（千瓦 / 公斤）將從 1.2 增加到 4，重量下降 70%；功率密度（千瓦 / 升）將從 3.0 增加到 4.6，體積下降 50%；效率從大于 94%增加到 98%，損耗下降 60%。牽引逆變器成本將從 8 美元 / 千瓦降至 6，成本降低 25%；功率密度（千瓦 / 升）將從 4.0 增加到 33，體積下降 88%。

水冷走向風冷的 DC-DC 及 GaN 逆變器

可以發現，這里給出的汽車用 GaN 的用途與下面 EPC（宜普電源轉換公司）CEO 兼共同創辦人 Alex Lidow 博士介紹的幾種 GaN 應用還是有區別的。

氮化鎵汽車應用

Jim Witham 表示，GaN 除了能實現 4 通道、納秒脈沖高分辨率的遠距離激光雷達，實現 480W 遠距離光功率，使性能提高 10 倍之外，還可利用其高頻無線充電的優勢，實現座艙內無線充電，即高功率、快速對多部手機同時充電，手機可隨意放置，且不受異物干擾。

座艙內氮化鎵高頻無線充電

汽車應用繁多，值得大 GaN 一場

彭博新能源財經數據顯示，2018 年電動汽車年用電量為 60 太瓦時（TWh），到 2040 年，如果電動汽車使用量增加 7%，用電量將達到 2333 太瓦時。只有采用寬帶隙半導體才能推進節能減排。

電動汽車年用電量走勢

氮化鎵技術為什么能夠推動車載系統的發展呢？Alex Lidow 博士介紹了四個方面的應用：車載信息娛樂系統 DC-DC 轉換器、無刷直流（BLDC）汽車電機、自主導航光檢測和測距（激光雷達）及 48V 輕混動力（MHEV）汽車。

他介紹說，到 2022 年，全球車載信息娛樂系統出貨量將達 1.83 億臺。其中的觸摸屏、藍牙通信、數字和高清電視、衛星廣播、GPS 導航、高級駕駛員輔助系統（ADAS）、D 類音頻放大器、內部控制臺和座艙照明，甚至游戲應用都增加了功率系統的要求，而儀表板實現這些電源的空間卻非常有限，散熱也是一個嚴峻的挑戰。

他認為，在降壓轉換器的硬開關應用中，eGaN FET 具有非常低的 QGD 和整體開關損耗，可大大提升效率，更容易解決散熱問題。eGaN 器件非常適合上述車載應用的 DC-DC 轉換器，12V 至 24V 的輸入電壓、小尺寸可以實現負載點 2MHz 頻率的開關，而不會干擾 AM 頻段。

車載 2MHz 開關電源

在 12V/3.3V 轉換器中使用 eGaN FET 代替硅 MOSFET 器件，效率可提高近 5％、功耗低 2W，或功耗降低約 50％。另外，eGaN FET 解決方案還可以使工作溫度降低 10℃。

再來看無刷直流電機驅動器。目前平均每輛車有 10 個電機，運行的功能包括門鎖、行李箱鎖、天窗、氣泵、通風系統、電池管理、加熱控制、電動轉向等。

汽車中的電機分布

BLDC 更耐用，維護簡單，更小型化和節能，響應速度更快，重量也更輕。此外，它也不容易出現有刷電機常見的各種故障，保修成本更低。隨著汽車轉向 48V 母線架構，采用 30W 至 1kW 功率級的 BLDC 比有刷或交流感應電機更具優勢。基于 GaN 器件的 48V 車用電機驅動還可以在高于可聽頻譜頻率下高效工作，具有更強有力的轉矩和更高的效率，有助于更長的電池續航時間。

基于 GaN 晶體管的 500W 電機驅動方案

前不久，EPC 推出了包含驅動器、電平、同步自舉電路和輸入邏輯的 EPC2152 ePower? Stage 80VIN 單片半橋集成電路，適用于低于 500W 的 BLDC 電機。它在單芯片上集成了多種功能，只需 3 個芯片、數字控制器、電感元件和濾波元件，即可搭建完整的 BLDC 驅動器。

既然說到了 48V，就不能不提 48V 輕混動力汽車的趨勢。預測計到 2025 年，全球銷售的每 10 輛汽車中將有一輛是 48V 車。48V 系統有助于提高燃油效率，在使用相同大小發動機的條件下實現多四倍的功率，還可在不增加系統成本的情況下實現二氧化碳減排。這些系統需要 1 千瓦至 3.5 千瓦的 48V/12V 雙向轉換器，其設計要求是尺寸、可靠性和成本。

基于 GaN 技術的 48V 車用母線系統恰恰可以提高效率，降低尺寸和系統成本。例如，在 3 千瓦多相降壓轉換器中，由于 GaN 器件具備快速開關特性，其方案可以在每相 250kHz 下高效運行，傳統 MOSFET 方案的工作頻率很低。每相僅 125kHz。工作頻率提升就可以使用更小的電感（4.7μH 降至 2.2μH）和較小的電感 DC 阻抗（從 1.7mΩ降至 0.7mΩ），所以基于 GaN 器件的方案的功耗和尺寸都更小。

GaN 器件可以縮小轉換器尺寸

eGaN FET 方案除了減少一相和雙倍開關頻率的優勢，效率也比五相的 MOSFET 方案更高。滿載時，其效率高 0.7％。10％負載時，其效率高 5％。這代表滿載功耗降低了約 21W。與基于 MOSFET 的等效系統相比，減少的相數可以降低系統成本達 20%。

Alex Lidow 博士最后介紹了汽車激光雷達。在 ADAS 中使用激光雷達比雷達更好，GaN FET 的一些關鍵參數正好可以發揮激光雷達傳感器的優勢，這是硅器件所無法實現的。GaN 器件可在很高的峰值電流工作，增加距離幀測能力。超低的柵極電荷、柵極阻抗和電感都有助于提高激光雷達系統的圖像分辨率和幀速。GaN 器件采用芯片級封裝，設計人員可以將 GaN 驅動電路放在靠近激光的位置，實現快速轉換，提高幀速和分辨率。

GaN 方案與硅方案的激光雷達效果

另外，在遠程檢測的直接飛行時間（dToF 激光雷達）系統中，利用 GaN 提供的大電流和短脈寬，可實現 300 米可見度和厘米級分辨率。而在近距離、高精度激光雷達應用中，GaN 同樣有助于間接飛行時間（iToF）激光雷達每次捕獲百萬像素。

德州儀器（TI）高壓電源應用產品業務部氮化鎵功率器件產品線經理 Steve Tom 在展示氮化鎵產品時也說：“GaN 實現更高效和性能卓越的電源，其中的原因是多方面的，快速爬升時間、低導通電阻、低柵電容和輸出電容，都降低了開關損耗，并支持以多種頻率工作，速度通常比當今硅基解決方案快一個數量級。”更低的損耗等同于更高效的電源分布，減少了發熱并精簡了實用冷卻方案。

TI 為雷達、汽車、不間斷電源、電機控制、電流測量和其他領域的應用提供了 GaN 參考設計，可靠的現成電路可以幫助客戶設計出盡可能高效的 GaN 電源系統。

GaN 之于汽車，封裝結構更重要

眾所周知，傳統芯片封裝的內部都有金線或銅線連接內部單元和芯片封裝的引腳，即焊線。這是芯片制造中非常成熟的工藝。

芯片內部的焊線工藝

功率器件大多采用傳統 TO-220、TO-247 和 D2PAK-7 封裝，以處理大多數高功率應用的電壓、電流和散熱問題。這些器件很容易貼合散熱器，確保出色的散熱效果。但其長引腳會產生寄生電感，成為高頻開關的限制因素。因此，現在 GaN 器件通常采用 LGA 或 QFN 封裝及專有的 GaNPX?嵌入式封裝，但也都離不開內部焊線。

常見的傳統封裝形式

隨著汽車電氣化、數據中心和 5G 通信高效電源的應用，市場正進入快速開關、高壓大功率寬帶隙半導體器件的新時代，650V 及以上電壓的新標準應運而生。雖然半導體技術在不斷發展，但這些器件的功率封裝仍在延用傳統形式，使器件的功效大打折扣。

一直為 MOSFET 和 GaN 產品構思和開發各種封裝設計的 Nexperia（安世半導體）封裝工程師 Ding Yandoc 表示，很長時間，高壓應用迫使設計師不得不使用 TO-220、TO-247 及 D2PAK-7 等傳統功率封裝形式。但隨著開關頻率不斷提高，特別是引入了 GaN 之后，這些傳統封裝的限制便顯現出來。

Ding Yandoc 承認，高壓功率 FET 也有 D2PAK-7 表面貼裝方案，就像 TO-220 一樣，已成為行業認可的主流封裝。即使這類封裝沒有長引腳帶來的寄生電感問題，但其芯片內確實有焊線。隨著電路板空間和元件高度的不斷減小，需要考慮利用電路板散熱，因此這類封裝也遇到了一些問題。

他認為，封裝的創新必須跟上半導體技術的節湊，在一些應用中，傳統封裝方案的能力綽綽有余，但為了充分發揮新型高壓寬帶隙半導體的優勢，開發新的封裝方案刻不容緩。此前已在采用的銅夾片技術在優化電氣和熱性能方面是很好的選擇，可以引入到 GaN 器件當中，特別是采用 LFPAK 和 CFP 封裝的雙極性晶體管、MOSFET 和整流二極管。

用銅夾片代替內部焊線的 LFPAK 封裝

LFPAK 封裝的優勢

除了電氣和熱性能優勢，相比傳統通孔和 QFN 封裝，銅夾片技術還能實現電路板級的高可靠性和焊點的高級光學檢測（AOI）。為了適應級聯結構 GaN FET，提供可擴展的引腳尺寸，新封裝還引入了幾種功能，如利用 Nexperia 第二代 H2 氮化鎵技術，將高 HEMT 柵極放在芯片底部，改善了動態 RDS（on），無需浮動襯底，能夠用同樣芯片尺寸實現更多芯片單元。此外，通過外部連接實現了基于級聯結構器件在 HEMT 柵極和硅 FET 源極之間的連接，但需要更改電路板布局，為此，芯片內部引入了多個支柱，既可保證一定的冗余設計，又提高了散熱性能。

內部和外部柵 - 源連接都采用內部連接方案

創新的 CCPAK 封裝將銅夾片封裝技術的所有優點應用在了 650V 及更高電壓的應用。其顯著特點之一是 12mm×12mm 外形尺寸，比 D2PAK-7 減少了 10%，高度只有 2.5mm，幾乎是 D2PAK-7 的一半。這意味著，在相同的空間內可以容納更大的芯片，客戶還可以用相同引腳尺寸實現更高電壓的產品組合。

新型 CCPAK1212 功率封裝

客戶可以既利用高壓功率晶體管銅夾片技術的好處，又能將底部散熱變為頂部散熱嗎？可以。CCPAK1212i 可以翻轉封裝，為開關拓撲難以處理或需要處理環境溫度的客戶提供更好的芯片和電路板散熱能力。

封裝翻轉實現靈活的頂部散熱

汽車正成為氮化鎵大規模采用的主角

硅器件的可靠性已被 30 多年應用所證明。寬帶隙半導體要由誰來證明呢？答案正是需要更高可靠性的電動汽車等新興市場。電力電子技術的發展一直以提高功率轉換效率為己任，寬帶隙材料最早從 SiC 二極管開始，而推動銷量增長的主要動力是電動汽車對長續航里程和較低電池成本的需求。既然 GaN 的可靠性毋庸置疑，那么，市場采用率和趨勢的驅動力還有哪些呢？

Larry Spaziani 認為，可靠性之外還有成本和供應能力。電力電子一直是受成本控制的市場，因此，當寬帶隙產品以高價進入市場時，接受度自然很低。正是一些超前型應用的采用化解了寬帶隙產品的尷尬。GaN 和 SiC 現在已經發展到第四代、第五代，有些地區的價格已經與硅相差無幾，采用率正在逐步提升。

他相信，只有擁有合理的成本，并不斷制定持續降低成本的路線圖，同時還擁有一個成熟的完整供應鏈，確保客戶在與硅產品相同的訂單上獲得穩定供應和可靠性，才會讓寬帶隙產品成為市場的真正贏家。

十年來，整個行業都存在高成本、有限的產量和受限的供應鏈問題。“不管技術如何，所有客戶都很關心成本和供應鏈。在這方面寬帶隙與硅很相似。不過，SiC 和 GaN 的發展也存在差異。”Larry Spaziani 說。

他解釋說，硅是在硅錠中生長的，然后被切成薄片，也就是晶圓；而碳化硅是塊狀生長的，在質量和數量上都很難保證。所以，業界最擔心的是，一旦電動汽車市場啟動，碳化硅的大批量供貨可能出現問題。即使 Cree 等一些頭部企業加大了投資來擴大碳化硅產能，但供應量仍然有限。相比之下，商用和車用氮化鎵是在普通硅片上開發的，大多采用標準 CMOS 工藝。氮化鎵的產量只受限于外延反應室，在 3 至 4 個季度的交貨期內，可以擴大到任何規模。因此，氮化鎵沒有任何供應鏈受限的擔憂。

碳化硅和氮化鎵的供應商都有自己的專有技術，通常沒有多個貨源。因此，客戶正在系統級謀求各種貨源，如使用多家供應商的器件來開發一個產品，使兩個供應商的芯片都可以勝任應用。一些供應商也已經簽訂了多源協議，以消除客戶的后顧之憂。

總結

正如 Steve Tom 所說，時下對電源效率的需求越來越緊迫，功率系統設計師不必再等待 GaN 革命的爆發。就在今天，GaN 的集成化解決方案，加上可以隨時利用的各種針對廣泛應用的參考設計，既可以縮短開發時間，又可以簡化設計，讓世界變得更智能，更環保。

編輯：hfy