IDTechEx讨论GaN在电动汽车电力电子领域的诱人潜力

随着电动汽车(EV) 电力电子设备经历向宽带隙 (WBG) 半导体的范式转变，很明显，碳化硅 (SiC) 正在成为首选材料，而氮化镓(GaN) 通常被装在鞋盒中用于电信或光电子应用。在某种程度上，这是因为 SiC 具有最大的热导率(Si 和 GaN)，这自然适用于 EV 典型的高温、功率和电压操作。然而，GaN 的热导率仍然是 Si 的两倍，并且在几乎所有其他指标上都优于 SiC，从电子迁移率和效率到击穿电压。

问题在于，如今 GaN 功率器件的运行性能比其块体材料性能差两个数量级，反映出诱人的潜力。随着电动汽车市场的快速增长和原始设备制造商希望使用当今商用的 WBG 电力电子设备提高驾驶循环效率，风险也很高。

事实上，新的 IDTechEx 报告“电动汽车电力电子 2023-2033 ”涵盖了 SiC 和 GaN 在电动汽车逆变器、车载充电器 (OBC) 和转换器中的采用率。预计 GaN 将在不久的将来进入市场，报告显示 SiC 在电动汽车市场的同比增长将在 2023 年达到 79%，而整个电动汽车市场在未来十年的复合年增长率将达到 15%。

是什么阻碍了 GaN 器件进入这个市场?关键的障碍是材料的生产质量，这取决于外延衬底——GaN、SiC 或 Si。由于材料退化的主要来源是外延生长与衬底之间的不匹配，因此理想情况是同质外延或块状 GaN(GaN-on-GaN)。实际上，所达到的阻断电压证明了使用硅基衬底时对性能的连锁效应。块状 GaN 为 94kV，SiC 为 45kV，但由于失配，目前量产的 GaN-on-Si 约为 1kV，这与块状硅 (Si) 相当。对于半导体供应链的整体视图，新的 IDTechEx 报告“用于自动驾驶和电动汽车的半导体 2023-2033》涵盖了电动汽车、自动驾驶汽车、电池管理系统 (BMS)、雷达、激光雷达、信息娱乐等领域的半导体趋势和材料需求。

与新兴技术的情况一样，最好的技术(在本例中为 GaN-on-GaN)的采用受到高成本的限制。块状 GaN 仅适用于小晶圆尺寸，其成本是 GaN 的 1000 倍左右。下一个最佳选择是 GaN-on-SiC，它产生较低的失配，但同样具有大约两个数量级的成本。因此，将 GaN 用于高压应用，例如 EV 逆变器，需要改善 GaN-on-Si 之间的失配或实现块状 GaN 的低成本生产。在此之前，SiC 仍将是高压 WBG 应用的主要选择。

然而，机会正在出现，IDTechEx 预测 OBC 和转换器将成为第一个市场切入点，报告中给出了时间表。这是因为 OBC 和转换器以低得多的功率运行，而 WBG 材料的效率优势明显推动了更快的交流充电或低压电池的内部充电(通过转换器)。

此外，随着新的合作伙伴关系的形成，高压 GaN 在 2022 年取得了令人振奋的进展。总部位于以色列的 VisIC Technologies值得关注。该公司开发汽车 GaN 功率器件并与 Hofer Powertrain 合作，后者将在 800V EV 逆变器设计中使用其 650V GaN 芯片。这是将 GaN 技术应用于高压逆变器的首批示例之一，代表着一个充满希望的开端。鉴于汽车采用周期通常约为四年，电动汽车市场采用高压 GaN 的大门正在打开，为该行业带来巨大的新增长机会。