能源轉型的挑戰涉及不同的市場。電動汽車 (EV) 的技術進步正在降低成本，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的新型寬帶隙半導體解決方案的組合正在推動市場的發展。氮化鎵 (GaN) 是一種具有顯著本征特性的寬帶隙材料。它在系統級別提供了許多優勢，以獲得更好的性能。

Yole Développement (Yole) 的技術和市場分析師 Ahmed Ben Slimane 和 Poshun Chiu 表示：“更高功率密度的設備和更低的系統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，性能優于 Si [硅] MOSFET 器件，因此可以減少系統中無源元件的數量并提高功率密度。”

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。“預計 GaN 將滲透 48V 至 12V DC/DC 轉換器，我們已經看到在輕度混合動力 EV [MHEV] 汽車中標準化 48V 系統的趨勢，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）。“但是，總的來說，GaN 將與 SiC [碳化硅] 和 Si 競爭，”Ben Slimane 和 Chiu 說。“尤其是 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。”

Yole 預計 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

“像任何新技術一樣，它需要一定的技術可靠性和工業成熟度，以及進入大眾市場的可接受的性能/成本比，”Ben Slimane 和 Chiu 說。“通過進入功率快速充電器市場，GaN 無疑將轉向大批量生產，規模經濟將隨之而來。”

氮化鎵的帶隙為 3.2 電子伏特 (eV)，比硅的帶隙高近 3 倍，相當于 1.1 eV。這意味著需要更多的能量來激發半導體導電帶中的價電子。雖然這種特性限制了 GaN 在超低電壓應用中的使用，但它的優勢在于允許更高的擊穿電壓和更高的溫度下更高的熱穩定性。GaN 大大提高了功率轉換級的效率，在高效電壓轉換器、功率 MOSFET 和肖特基二極管的生產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、應用和柵極驅動要求是不同的。SiC 可以在高功率和超高壓（650 V 以上）應用中與 IGBT 晶體管競爭。同樣，在電壓高達 650 V 的電源應用中，GaN 可以與當前的 MOSFET 和超級結 (SJ) MOSFET 競爭。

Ben Slimane 和 Chiu 表示：“如果我們首先關注功率 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寶石上的 GaN。” “隨著行業從 6 英寸發展到 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備。隨著晶圓尺寸的增加，外延方面的一些挑戰需要解決。為了解決8英寸平臺上的晶圓彎曲和裂紋問題，采用復雜的外延結構來補償晶格和熱系數的不匹配。開發良好的外延工藝至關重要，因為 GaN 是在異質硅襯底上生長的，

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

“其他新興襯底也對 GaN 感興趣——例如 SOI、QST 或體 GaN，”Ben Slimane 和 Chiu 說。“開發集成或垂直器件的潛力取決于應用，并且將密切關注 GaN 器件的發展趨勢。說到這些新興基板的供應鏈，它仍處于開發階段，產量較低，最終用戶采用新技術可能需要時間。”

Yole 指出，人們對在高功率應用中使用 GaN 產生了相當大的興趣，例如電動汽車的逆變器。“然而，今天，在硅或藍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，一些參與者正在關注低電流和 650 V 左右的電壓，隨著高壓商業化的發展GaN 器件，”Ben Slimane 和 Chiu 說。

對于高功率應用，橫向結構中的芯片尺寸必須增加，或者 GaN 必須采用垂直結構，例如需要同質 GaN 襯底的 SiC 和 Si IGBT，而迄今為止，這種結構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：成本和續航里程。后者被認為是完全采用電動汽車的主要趨勢。降低成本和提高系統效率的一種方法是集成動力總成。集成涉及細致的設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的重量和體積。

德州儀器 (TI) 高壓電源產品營銷和應用經理 Ramanan Natarajan 表示：“將動力總成系統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。“實現這一目標的關鍵挑戰包括：(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將同時運行，例如牽引逆變器 + 高壓至低壓 DC/DC 轉換器——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。憑借其低開關功率損耗，GaN 可以實現更小、更輕、

使集成推進架構成為現實還需要實時微控制器來處理電源轉換的復雜需求。除了實時控制，提高效率的創新還包括更高功率密度的管理。采用符合汽車標準的 GaN 技術等技術的電動汽車可以通過以更高的效率運行和節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設計的要求。電動汽車領域的挑戰之一是快速高效的充電。GaN 技術可以提供快速充電，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動器提供約 60% 的尺寸減小和高達 2.2 MHz 的開關速度。

“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 轉換器，”Natarajan 說。“原始設備制造商要求這些動力總成系統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。實現高功率密度的關鍵是在高開關頻率下保持高效運行。GaN FET 可以以 >100 V/ns 的速度開關并且它們具有零反向恢復。因此，它們的開關功率損耗極低。”

Natarajan 指出，提高 GaN 效率的最佳 EV 拓撲（電路）包括：圖騰柱無橋功率因數校正 (PFC) 以及用于車載充電器的 CLLC 和 LLC 諧振 DC/DC 轉換器（C = 電容器，L =電感器），以及用于 HV 到 LV DC/DC 轉換器的相移全橋和硬開關脈寬調制轉換器。

電動汽車中的牽引逆變器需要具有數百安培電流能力的電源開關，以支持數百千瓦的電力。Natarajan 表示，這些系統更適合 Si IGBT 或 SiC MOSFET；另一方面，額定功率高達 25 kW 的車載充電器和 HV-LV DC/DC 轉換器非常適合 GaN。

由于 GaN 和其他寬帶晶體管在結構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采用的關鍵。

審核編輯 黃昊宇