氮化镓（GaN）搭上电动汽车热潮

shuszhao · 发表于 2021-12-23 08:55:57

能源转型的挑战涉及不同的市场。电动车(EV)的技术进步正在降低成本，但最重要的是为许多消费者提供了所需要的更高效率和续航里程。针对整个动力传动系统，更高功率密度的电池、更高效的电机以及新型宽禁带(WBG)半导体解决方案的组合正推动市场的发展。
氮化镓(GaN)是一种具有显著固有特性的宽禁带材料。它在系统级提供了许多优势，可以获得更好的性能。
Yole Développement (Yole)技术和市场分析师Ahmed Ben Slimane和Poshun Chiu表示，“采用更高功率密度的组件，以及降低系统重量，是增加续航里程的两种方法。GaN可以在更高频率下以更高的效率运行，其性能优于硅(Si) MOSFET组件，从而可减少系统中被动组件的数量并提高功率密度。”

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Ben Slimane和Chiu指出，从2022年开始，GaN有望实现小量渗透率，主要与OEM和Tier 1供货商的出样有关。“预计GaN将渗透到48V至12V DC/DC转换器。在这方面，我们已经看到在轻混合电动车(MHEV)中有标准化48V系统的趋势，从而增加输电能力并减少电阻损耗。”
Yole指出，可为GaN带来大好机会的另一个市场是车载充电器(OBC)，在这方面，GaN非常适合渗透到较低功率的充电器类型中(3kW到几十kW)。但是，Ben Slimane和Chiu说，“总的来说，GaN将与碳化硅(SiC)和Si形成竞争，尤其是SiC将在更大功率和更高电压(超过1,200V)方面受到青睐，特别是在逆变器级。”
Yole预计，2026年，GaN功率组件在汽车和行动市场的市值将超过1.55亿美元。

氮化镓

“如同任何新技术一样，它需要有一定的技术可靠性和产业成熟度，以及可接受的性价比，才能进入大众市场。”Ben Slimane和Chiu表示，“透过进入快速充电器市场，GaN无疑地将转向大量生产，规模经济也将随之而来。”
氮化镓的禁带宽度为3.2电子伏特(eV)，比硅的禁带宽度(相当于1.1eV)高近3倍。这意味着需要使用更多的能量来激发半导体导电带中的价电子。虽然这一特性限制了GaN在超低电压应用中的使用，但其优势在于可实现更高的击穿电压以及在更高温度下的热稳定度更佳。GaN极大地提高了功率转换级的效率，可在高效电压转换器、功率MOSFET和萧特基二极管的生产中作为硅的重要替代品。与硅相比，GaN提供了重要的改进，例如更高的能效、更小的尺寸、更轻的重量和更低的总成本。
GaN和SiC都是宽禁带材料。虽然这些材料具有出色的性能，但它们的特性、应用和闸极驱动要求是不同的。SiC可以在大功率和超高压(650V以上)应用中与IGBT晶体管竞争。同样地，在电压高达650V的电源应用中，GaN可以与当前的MOSFET和超接面(SJ) MOSFET竞争。
“如果我们首先关注功率GaN中的各种基底，那么今天的硅基GaN (GaN-on-Si)代表了更大的市场份额，因为很少有厂商使用蓝宝石基GaN。”Ben Slimane和Chiu表示，“随着产业从6英吋发展到8英吋，我们将在硅基GaN平台上看到更多参与者。目前，很少有厂商采用8英吋平台。例如，Innoscience和X-Fab以及其他一些业者正在为未来几年做准备。此外，随着晶圆尺寸增加，需要解决外延方面的一些挑战。为了解决8英吋平台上的晶圆弯曲和裂纹问题，就需要采用复杂的外延结构来补偿晶格和热系数的不匹配问题。开发良好的外延工艺至关重要，因为GaN是在异质硅基底上生长的，因此会在外延层上产生若干致命缺陷和不均匀度。”
Yole评论说，硅基GaN也被认为是汽车应用的平台。但考虑到与Si和SiC的竞争，GaN可能成为在汽车和行动领域中的中功率应用之候选材料。
Ben Slimane和Chiu表示，“其他新兴基底对GaN来说也具有吸引力——例如绝缘体上硅(SOI)、基板技术(QST)或块状GaN。开发整合或垂直组件的潜力取决于应用，而且GaN组件的发展趋势将受到密切关注。说到这些新兴基底的供应链，它仍处于发展过程中且其产量很低，终端使用者可能还需要时间才会采用新技术。”
Yole指出，人们对于在高功率应用中使用GaN具有相当大的兴趣，例如电动车的逆变器(图1)。然而，Ben Slimane和Chiu表示，“目前在硅或蓝宝石基底上生长的主要是横向GaN HEMT，它仍然易于受到表面击穿的影响，因此，一些业者正专注于低电流和650V左右的电压，而高压GaN组件的商业化开发也正在进行中。”
对于高功率应用，横向结构的芯片尺寸必须增加，或者GaN必须采用类似SiC和Si IGBT的垂直结构，也即需要采用同质GaN基底。然而，到目前为止，这种结构的尺寸受到限制且成本较高。

图1：氮化镓功率组件的发展蓝图。(图片来源：Yole)

整合

电动车市场仍面临两大挑战：成本和续航里程。后者被认为是促使电动车被完全采用的主要趋势。降低成本和提高系统效率的一种方法是整合动力传动(图2)。整合涉及细致的设计以及对安全概念和潜在相互作用的透彻理解。整合还能减少对多余封装材料的需求并省去冗余硬件，从而显著降低系统的重量和体积。
德州仪器(TI)高压电源产品市场与应用经理Ramanan Natarajan表示，“将动力传动系统整合到紧凑的机械外壳中，可以实现更实惠、更高效的电动车。实现这一目标的关键挑战包括：(a)减小电感器和变压器等笨重组件的尺寸以及整体PCB尺寸；(b)降低功率损耗以简化散热管理——这在将两个系统(例如牵引逆变器+高压到低压[HV-LV] DC/DC转换器)组合在一起而使之共同工作时尤为重要；(c)重量和外形尺寸的机械考虑因素，这决定了冲击测试和振动测试下的性能。GaN凭借其低开关功率损耗，可以实现更小、更轻、更便宜的动力传动系统并简化整合。”
要实现整合的推进架构，还需要使用实时微控制器(MCU)来处理电源转换的复杂需求。除了实时控制，提高效率的创新还包括更高功率密度的管理。电动车采用符合汽车标准的GaN等技术，有助于以更高效率运作和节省热能来延长续航里程。这意味着可以采用更少的冷却组件以及实现更低的成本。

图2：电动车动力传动系统。（来源：TI）

动力传动

GaN是一种用途极为广泛的半导体材料，可以在高温和高压下工作，因此有助于高效满足各种通讯和工业设计。电动车领域的挑战之一是快速高效的充电。GaN技术可以提供快速充电，而以更高效的方式使用能源。
GaN FET解决方案可使功率密度加倍，同时透过整合闸极驱动器，还可提供约60%的尺寸减小和高达2.2MHz的开关速度。
Natarajan表示，“GaN FET非常适合电动车中的AC/DC车载充电器和HV-LV DC/DC转换器。OEM要求这些动力传动系统提供越来越多的动力，以便缩短电动车的充电时间，但又不能增加其尺寸，因为不能使汽车中的乘客空间受到影响。实现高功率密度的关键是在高开关频率下保持高效运行。GaN FET能以>100V/ns的速度进行开关并且其具有零反向恢复特性。因此，它们的开关功率损耗极低。”
Natarajan指出，提高GaN效率的最佳EV拓扑(电路)包括：将图腾柱无桥功率因子校正(PFC)以及CLLC和LLC谐振DC/DC转换器用于车载充电器(C=电容器，L=电感器)，以及将相移全桥和硬开关脉冲宽度调变(PWM)转换器用于HV-LV DC/DC转换器。
电动车中的牵引逆变器需要使用电流性能高达数百安培的功率开关，以支持数百千瓦(kW)的功率。Natarajan表示，这种系统更适合使用Si IGBT或SiC MOSFET；另一方面，车载充电器和HV-LV DC/DC转换器(额定功率高达25kW)则非常适合使用GaN。
由于GaN和其他宽禁带晶体管在结构和材料上与硅组件不同，因此就需要依靠量身打造的测试指南来确保组件的可靠性。测试指南成为提高对GaN可靠性的信心以及加速整个产业广泛采用的关键。