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半导体

“新秀”氮化镓尝试“上车”

编者按:以碳化硅、氮化镓为代表的宽禁带半导体材料具有高热导率、高击穿场强、高饱和电子漂移速率等特点,可以极大满足新能源汽车电动化、网联化、智能化发展趋势的要求,对新能源汽车发展具有重要意义。《中国电子报》开设“宽禁带半导体与新能源汽车”专栏,以宽禁带半导体在新能源汽车领域的应用为切入点,全面系统报道宽禁带半导体技术趋势、市场发展现状和产业发展难题等。敬请关注。

虽然氮化镓(GaN)与碳化硅(SiC)同属于宽禁带半导体材料,相较于已经发展十多年的碳化硅而言,GaN功率器件是个不折不扣的“新秀”。它既拥有类似SiC在宽禁带材料方面的性能优势,也拥有更强的成本控制潜力。与传统硅材料相比,基于GaN材料制备的功率器件拥有更高的功率输出密度和更高的能量转换效率,并可以使系统小型化、轻量化,有效降低电力电子装置的体积和重量。随着新能源汽车市场的爆发式增长,未来在新能源汽车市场,GaN也将迎来属于自己的一席之地。


多家企业尝试让GaN“上车”

汽车领域是GaN在大功率器件中的重点应用场景。Yole数据表明,传统车和新能源车会是GaN功率器件的全新应用场景,到2026年市场规模会从2020年的30万美元增加到1.6亿美元。

如今,已有多家企业尝试让GaN“上车”。在 PCIM Europe 2020 上,GaN Systems 首席执行官 Jim Witham 介绍了一款 All-GaN(全氮化镓)汽车,采用可再生能源的太阳能蓄电池,证明了 GaN 在汽车功率转换方面的可行性,同时也证明了GaN适合所有需要更高电压、频率、温度和效率的应用。

安世半导体也前行在让GaN“上车”的路上,据安世半导体MOS业务集团大中华区总监李东岳介绍,安世半导体已经采用GaN材料开发出针对900V高压的车载产品,且未来还有针对1200V产品的计划,这打破了GaN仅适用于中低压产品的传统思维。

“电动汽车对高效率、高功率密度有着严苛的要求。通过节约零组件对车内空间的占用,让乘坐空间更加舒适。针对高功率密度、强续航能力等需求,目前的硅功率半导体材料器件已经发展到瓶颈期。氮化镓器件的开关速度比硅MOSFET快很多,在高效率和高功率密度方面更能符合电动汽车的需求。” 李东岳表示。

车用氮化镓存在四大挑战

尽管GaN功率器件在性能、效率、能耗、尺寸等方面较硅功率器件均有数量级的提升,但也面临着许多瓶颈。尽管新能源汽车对于GaN而言是一个具有未来的全新应用场景,但是如今依然面临着挑战。

据了解,在新能源汽车领域,GaN面临最大的挑战在于,由于车规级认证过程较慢,对器件的可靠性和安全性要求较高,并且GaN要同时面临硅器件和SiC器件的竞争,因此只有GaN做得足够好,成本足够低,才可以有较强的竞争力,否则难以进行大规模应用和普及。此外,由于硅基GaN功率器件的工作电压较低,而耐高压的SiC基GaN功率器件又比较贵,因此法国Yole公司预估,GaN功率器件要到2025年后,才有可能在电动车上进行部署。

李东岳也认为,车用氮化镓主要存在四方面的挑战:一是车用领域的功率要求波动较大,需要在所有工况下,保持器件参数的长期稳定;二是车规功率器件长期处于高振动、高湿度、高温度的工作环境,要求器件在应对热应力和机械应力的过程中有着极高的可靠性;三是车在装备的过程中,在体积重量和制造成本上都有严格的要求,功率器件必须契合汽车装备本身的需要;四是车规器件需要做到15年到20年的使用寿命,技术门槛很高。

未来依然有望领跑

尽管困难重重,与传统硅功率器件以及碳化硅相比,GaN凭借其特有的优势,未来依然有望得到大规模应用。目前GaN在新能源汽车应用尚未大规模起量,但仍是一个具有潜力的应用方向。而我国宽禁带半导体在新能源汽车领域最大优势在于拥有全球最大市场,若能从应用牵引切入,对宽禁带半导体产业发展将会有极大的促进作用。

IMEC实验室在此前也曾宣布,工作电压可达 1200V的硅基GaN外延片,若是商业化顺利,硅基GaN功率器件在新能源车上的应用将会提前。


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责任编辑:沈丛


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