氮化鎵“上車”，能行嗎？
氮化鎵“上車”，能行嗎？
來源：中國電子報
雖然氮化鎵（GaN）與碳化硅（SiC）同屬于寬禁帶半導體材料，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，也擁有更強的成本控制潛力。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的爆發(fā)式增長，未來在新能源汽車市場，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”
汽車領域是GaN在大功率器件中的重點應用場景。Yole數(shù)據(jù)表明，傳統(tǒng)車和新能源車會是GaN功率器件的全新應用場景，到2026年市場規(guī)模會從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，同時也證明了GaN適合所有需要更高電壓、頻率、溫度和效率的應用。
安世半導體也前行在讓GaN“上車”的路上，據(jù)安世半導體MOS業(yè)務集團大中華區(qū)總監(jiān)李東岳介紹，安世半導體已經(jīng)采用GaN材料開發(fā)出針對900V高壓的車載產(chǎn)品，且未來還有針對1200V產(chǎn)品的計劃，這打破了GaN僅適用于中低壓產(chǎn)品的傳統(tǒng)思維。
“電動汽車對高效率、高功率密度有著嚴苛的要求。通過節(jié)約零組件對車內(nèi)空間的占用，讓乘坐空間更加舒適。針對高功率密度、強續(xù)航能力等需求，目前的硅功率半導體材料器件已經(jīng)發(fā)展到瓶頸期。氮化鎵器件的開關速度比硅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)量級的提升，但也面臨著許多瓶頸。盡管新能源汽車對于GaN而言是一個具有未來的全新應用場景，但是如今依然面臨著挑戰(zhàn)。
據(jù)了解，在新能源汽車領域，GaN面臨最大的挑戰(zhàn)在于，由于車規(guī)級認證過程較慢，對器件的可靠性和安全性要求較高，并且GaN要同時面臨硅器件和SiC器件的競爭，因此只有GaN做得足夠好，成本足夠低，才可以有較強的競爭力，否則難以進行大規(guī)模應用和普及。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公司預估，GaN功率器件要到2025年后，才有可能在電動車上進行部署。
李東岳也認為，車用氮化鎵主要存在四方面的挑戰(zhàn)：一是車用領域的功率要求波動較大，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、高濕度、高溫度的工作環(huán)境，要求器件在應對熱應力和機械應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，技術門檻很高。
未來依然有望領跑
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，未來依然有望得到大規(guī)模應用。目前GaN在新能源汽車應用尚未大規(guī)模起量，但仍是一個具有潛力的應用方向。而我國寬禁帶半導體在新能源汽車領域最大優(yōu)勢在于擁有全球最大市場，若能從應用牽引切入，對寬禁帶半導體產(chǎn)業(yè)發(fā)展將會有極大的促進作用。
IMEC實驗室在此前也曾宣布，工作電壓可達 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用將會提前。
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