近日,有权威人士透露,我国计划把大力支持发展第三代半导体产业写入正在制定中的“十四五”规划,以期在 2021-2025 年期间实现产业独立自主。第三代半导体对国民经济的重要意义可见一斑。重视之余,还要搞清楚在量大面广的民用领域,不同材料技术究竟适合哪些应用?哪些领域可以率先尝试?

 


近年来,发展电动汽车已成为全球一个必然趋势,2025 年到 2040 年一些国家将全面禁售燃油车销售。尽管借助了空气动力学设计,使用更轻的材料和更高效的电池,但对增加续航里程还远远不够。如何让电动汽车达到最佳功率转换效率,才是电动汽车赢得青睐的关键。要实现这个目标,就必须借助于先进功率器件,比如同为第三代宽带隙(WBG)半导体的碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)。


由于更高的性能和更高的可靠性,未来汽车应用将是宽带隙器件的最大市场,一些头部车企已开始使用 SiC,GaN 也显示出替代硅器件后来居上的优势。预测表明,GaN 将在 2020 年之后迎来大规模采用。

 


GaN 市场的演变

 

分析表明,早期采用 GaN 的都是需要高性能、高效率的应用,市场较小;工业应用进展缓慢,但生命周期长。2019 年,GaN 市场出现了增长拐点,2021 年后的增长将由汽车应用来推动。

 

从发明到商用,成为“顶流”要实力说话


历史总是惊人的相似,故事经常出奇的雷同。1955 年,美国无线电公司的 Rubin Braunstein 发现了砷化镓(GaAs)与及其他半导体合金的红外线放射作用;1962 年美国通用电气的 Nick Holonyak Jr 开发出可见光 LED;全球第一款商用 LED 是 1965 年用锗材料作成的,单价 45 美元;1972 年有少量 LED 显示屏用于钟表和计算器;上世纪 80 年代出现了表面贴装器件(SMT)LED;LED 真正起飞是在上世纪 90 年代,日本日亚的 Shuji Nakamura 利用氮化镓制成了蓝光 LED,之后白光 LED 启动了广泛的 LED 应用时代。记得 2005 年时,一个 LED 灯泡要 20 多元,2012 年 10 月,《中国逐步淘汰白炽灯路线图》发布,将从 2016 年 10 月 1 日起禁止进口和销售 15 瓦及以上的白炽灯,现在即使淘宝上还有卖,但是绝大多数人已不会选择。这就是技术的实力。
第三代半导体很像当年的 LED,电动汽车也差不多。GaN 属于宽带隙材料家族,是一种二元化合物,所有也叫化合物半导体材料。其分子由具有纤锌矿六角形结构的一个镓原子(III- 基,Z = 31)和一个氮原子(V- 基,Z = 7)组成。

 


GaN 的原子结构

 

在功率和效率方面,GaN 比硅具有明显的优势。以全部是电子部件的电动汽车为例,从电池到驱动车轮的电机的功率转换是一个电能转换为机械能的过程,电机自身的效率至关重要。抛开电池本身的因素,目前功率转换的效率约为 92%。假如使用 100kW 的电机(实际更高),92%效率意味着热损耗为 8kW。一个大容量电饭煲的功率也就 1kW,损失的热量相当高,足够做熟几锅米饭,所以需要很好的冷却系统(如水冷系统),而这又要消耗更多能量。


如果有一种技术可以将效率提高到 98%又将如何呢?这时热损耗将减少到 2%,也就是 2kW,这样就可以用风冷系统来冷却。这种技术就是 GaN。从硅转向 GaN 不仅可以降低损耗,还能简化系统设计,减小整个系统的尺寸和重量,进而又延长了行驶里程。


这个时刻已经到来,GaN 已完成了从发明到商用的进化,并开始了其作为主流功率晶体管技术的里程。


那么,为什么没有更早采用 GaN 技术呢?Nexperia 公司功率 GaN 技术战略营销总监 Dilder Chowdhury 说:“要让一项新技术从实验室走出来,应用于大规模生产需要十年甚至更长的时间,GaN FET 就是这种情况。”

 


Dilder Chowdhury

 

他回顾道,过去三四十年,GaN 一直都在实验室中,1990 年以来,虽然这种 III-V 直接带隙半导体材料已广泛用于发光二极管(LED),但要进入主流功率晶体管应用并不容易。后来它用到了射频和无线电领域,如 4G 和 5G 基站。而在功率领域,由于成本原因,GaN 技术的可行性不高。与其说增加成本,不如说人们愿意承担一些可接受的功率损耗,直到 GaN 技术的成本达到合理价位。现在,硅基氮化镓(GaN-on-Si)技术提供了更好的成本路线图。

 


不同领域的收入增长阶段

 

Dilder Chowdhury 认为,这种颠覆性技术正处于转折点。它已经过了早期采用阶段,进入了增长期,初始量产的产品已用于高性能应用。从生产角度看,虽然制造 GaN 的内部流程有所不同,但都采用了利用硅知识加以完善的相同生产系统。很显然,GaN 晶圆和硅晶圆不同,这意味着制造方式也不相同。整个行业正在想办法调整大部分流程来确保顺利生产。

 

功率电子也看“摩尔定律”?


降低功率损耗是整个行业面临的一大挑战,一些半导体厂商认为,GaN 是功率半导体的未来。在功率电子的“摩尔定律”面前,GaN 为继续提升功率密度提供了有效的途径。与硅和 SiC 相比,GaN 的内在性能优势在于,它在任何电压范围都具有更高的效率和最低的功率转换损耗,且可在更高频率下工作。相对成本优势也不在话下,硅基 GaN 比 SiC 更便宜,系统成本也低于硅。更小、更轻、更凉爽的电源系统推动了功能价值的提升,在器件级也接近硅的平价成本路线图。看来“摩尔定律”也在起作用。

 


GaN 与其他半导体的对比

 

市场趋势显示,除了行将爆发的 5G 手持设备和将于 2022 年大幅增长的 RF 市场对 GaN 的需求,2025 年 1200 万辆的电动汽车市场也将批量应用 GaN Power FET,主要用途是车载充电器、功率转换器、电源逆变器。

 


推动 GaN 需求的市场趋势

 

虽然,汽车市场商用 GaN 功率器件的份额仍落后于 SiC,但其适用性正在得到证实,在某些方面甚至有后来居上之势。

 

克服硅基 GaN 挑战


在用 GaN 实现主流大功率 FET 之前,有许多挑战需要克服。首先,从制造角度看,III-V 族半导体的制造成本往往比较高。能够在大型硅衬底上成功生长出具有适当外延性能的厚 GaN 外延层,是使用标准 150 毫米(6 英寸)晶圆进行生产的关键。否则,具有可伸缩性和降低成本意义的真正批量生产就是纸上谈兵。


对于 FET 器件本身,解决动态 RDSon 等问题对于实现客户所需的器件性能至关重要。只有开关品质因数(RDSon x Qgd)和反向恢复电荷(Qrr)大大降低,才能实现高开关频率,同时实现更低的功耗和更高效的功率转换。


在批量生产方面,需要借鉴将汽车 MOSFET 测试推向关键可靠性测试的 AEC-Q101 认证要求的经验。这意味着要花大量时间对 GaN 器件进行反复测试,以确保其在整个生命周期都能兑现高可靠性的承诺。


当然,还要从应用拓扑的角度了解硅基 GaN FET 的真正优势,因此需要表征功能器件并了解其在各种拓扑中的行为,以此建立对 GaN 的理解和内部经验来支持客户,使其成为主流的功率半导体技术。


最后,除了效率和质量之外,客户也十分看重值得信赖的稳定产品供应。制造厂(包括前端、后端的各种封装工艺)需要经过全面垂直整合,才能完成最优化的规模化生产,并有可能通过投资不断加大产能。做好了上述每个步骤,才能保证生产工艺和产品的长期稳定,确保客户对产品供应放心。

 

GaN 之于汽车应用


社会压力和减少二氧化碳排放的趋势正在推动汽车行业加大投资,提高功率转换效率和电气化水平。功率 GaN 技术不但表现出极大的性能优势,还能为电动汽车等功率转换应用带来一系列优势。


汽车行业的电气化应该是功率 GaN 技术的最大受益者。电动车 / 混合动力汽车(xEV)的功率损耗会影响续航里程,而这正是电动汽车普及的难点所在。因此,高效的功率转换对于电动汽车的成功至关重要。此外,更加高效的功率转换可减少使用昂贵冷却系统的散热需求,降低车辆重量和系统复杂性,从而潜在地增加续航里程。受益于 GaN 技术的电动汽车系统包括:AC/DC 车载充电器、DC-DC 功率转换器,因为要使用 12V/48V/400V 电池,它们必须能够相互兼容;还有为电池充电的插座,以及驱动牵引电动机的 DC/AC 逆变器。所有这些设备都需要高效的功率转换,也是 GaN 技术的用武之地。


Transphorm 的联合创始人兼首席运营官 Primit Parikh 在谈到与全球领先的汽车行业独立供应商 Marelli(马瑞利)合作联合开发新能源汽车新技术时表示:“汽车和电动汽车代表了 GaN 在功率转换方面的最大机遇之一,与新电动汽车场景完整电动平台领先供应商的合作进一步证明了 GaN 解决方案的品质、可靠性、完美制造工艺和整体产品性能。”

 


Primit Parikh 博士

 

Marelli 的完整的电动动力总成(e-Powertrain)系统范围涵盖 48V 至 800V 电动汽车完整能量流的管理、控制和优化。利用从赛车(F1、Formula E)到乘用车的技术转移,以及批量生产组件的可靠记录,加上领先的 GaN 技术,将最大限度地提高功率密度和效率。

 


Marelli 的电动动力总成系统

 

在 Primit Parikh 看来,GaN 在电动汽车上的应用还有很多方面,包括大功率线控系统、气候控制(热泵)、空调(AC 电机)、12V 电池充电,使用制动卡钳的驻车制动器和悬架控制等。

 


GaN 在电动汽车中的应用

 

效率的根本问题在于开关损耗,每个开关周期中都会出现电流电压交越,这就会产生交越损耗,在转换过程中还会发生干扰及其损耗。如果能够使电压降至零,同时电流升至最高,电压电流交越就最小,那么开关损耗将会接近零。这样就可以最大程度地提高效率和延长电池使用时间,实现大约 10%的改进。这就是 GaN 的作用。高功率 GaN 能够显著降低开关损耗,因此同样的电池可以行驶更长时间。


举个例子,如果将 200kW 逆变器效率从 95%提高到 99%,就可以将满载功率损耗从 10kW 降低到 2kW,仅为原来的五分之一。这样,不但减少了 8kW 损耗(提高有用牵引功率),还不必使用昂贵冷却系统,同时减少冷却能量消耗及冷却系统的尺寸和重量。


目前,功率 GaN FET 已克服了现有技术的许多限制,如基于硅的绝缘栅双极晶体管(IGBT)和硅超结(SJ)解决方案。功率 GaN 没有反向恢复损耗,可实现非常低的开关损耗(高速开关特性),更高临界电场和更高迁移率可以实现更低的导通损耗。在高电压下的低导通电阻可以提供出色的开关品质因数。


无论是 AC/DC PFC 级、DC-DC 转换器还是牵引逆变器,大多数拓扑的基本构建模块都是半桥。因此,在简单升压转换器中比较 GaN FET 与 Si FET 时,GaN FET 的表现更为出色。


在汽车中用功率 GaN 替代传统方案,以更简单的控制方案就能充分发挥器件数量少和高效率的优势。GaN 功率晶体管更快的开关速度和更高的工作频率有助于改善信号控制,为无源滤波器设计提供更高的截止频率,降低纹波电流,从而缩小电感、电容和变压器的体积,进而构建体积更小的紧凑型系统解决方案,最终实现成本节约。

 

半导体厂商竞逐高功率 GaN 蓝海市场


目前,有很多公司在推广 SiC 技术,这种材料的生产较 GaN 更为成熟。但另一些厂商却与 GaN 结下了不解之缘,他们在努力加速超越 SiC。他们从事新技术,探索全新领域,是蓝海市场的先驱者,因为没有人来过这里。

 


功率 GaN 已在主流消费市场应用,其他应用还是蓝海

 

这里介绍几家比较典型的 GaN 技术公司,他们是你中有我,我中有你,真的是剪不断,理还乱!


Cree(科锐公司)主打专利授权:第三代半导体的领军企业,SiC 和 GaN 都做。Cree 认为,GaN 存在一些技术挑战,特别是难以生长 GaN 外延膜。这是由于在尺寸和纯度方面,难以制造用于同质外延的天然 GaN 衬底。因此,需要用异质外延生长的另一种衬底。这种材料不仅必须具有高热导率,还必须与 GaN 晶格低失配。


该公司称,已经在硅、SiC 和金刚石衬底上制造了 GaN 器件,但目前只有 SiC 才能最好地满足所有要求。相比其他材料,紧密匹配的晶格结构意味着 GaN 外延可以在 SiC 上以更低的位错密度生长,减少了泄漏并提高了可靠性。另外,硅既不匹配 GaN 的晶格结构也不匹配热性能。翘曲会导致更高的缺陷密度及可靠性和可制造性问题。因此,碳化硅基 GaN(GaN-on-SiC)不仅克服了 GaN 制造方面的挑战,而且凭借其卓越的价值主张,在 4G、5G 基础设施中主导了 GaN 市场。不过,它还是将包括汽车应用高功率 GaN 器件的专利大范围授权给了在某一领域更有优势的公司。


2013 年,Cree 将 GaN 器件专利非独家授权给 Transphorm,涵盖 GaN 材料、HEMT 和肖特基二极管的设计和加工技术的各个方面。当时 GaN HEMT 器件已经广泛用于射频市场,授权 Transphorm 旨在利用其功率转换市场的优势进入新的领域。彼时,Cree 专注于 LED 照明及 GaN 射频收发器技术。
2016 年,英飞凌欲以 8.5 亿美元现金收购 Cree 旗下 Wolfspeed 的 Power 和 RF 部门;翌年,因化合物半导体的重要性没有通过美国 CFIUS 的美国国家安全风险审查而告吹。


时至今日,Wolfspeed 的功率业务还是以 SiC 为主,为电动汽车提供高压、高温、降低耗能的组件。至于 GaN,只提供代工服务,而且是碳化硅基 GaN MMIC 技术,包括设计辅助、测试和支持,帮助客户以更快的周期、更高的首过设计成功率和更高的可靠性实现从最初开发到批量生产的规格。


目前,除了高规格产品使用碳化硅基 GaN 技术外,具有成本优势的还是硅基 GaN,特别是车用、智能手机等民用市场。

 


Wolfspeed 只提供碳化硅基 GaN 代工服务

 

2018 年,Cree 还将 GaN 功率器件专利组合非排他性授权给了 Nexperia,包括超过 300 项已授权美国和国外专利,涵盖 HEMT 和 GaN 肖特基二极管等诸多创新,但不包括技术转让。


Cree 联合创始人兼 Wolfspeed 首席技术官 John Palmour 表示:“Cree 创立以来,对包括 GaN 和 SiC 在内的新型化合物半导体材料进行了深入研究,并利用其独特性能开发出新型器件。基于 Cree 数十年创新成果的器件,有助于实现新型电源管理和无线系统的市场导入。为了加速这类新市场的增长,Cree 正在对用于电源管理系统的 GaN 功率器件专利开展授权。”

 


John Palmour

 

Transphorm 专利组合支持高压 GaN:公认的 GaN 技术领导者,从 Cree 获得了 GaN 技术授权,其重点是为高压功率转换应用提供最高效能、最高可靠性的 GaN 半导体,优势是拥有与汽车行业(尤其是日本)直接合作的成功经验。


公司创始人 Primit Parish 博士和 Umesh Mishra 早年创办并成功运营了一家名为 Nitres 的 GaN LED 公司,后被 Cree 收购,两人又于 2007 年联合创办了 Transphorm 公司。


早在 2012 年,该公司就开发出第一代硅基 GaN 晶圆,到 2020 年已是第四代 GaN 平台,与前几代相比,其在性能、可设计性和成本方面都有明显进步,第四代及以后的平台都将被称为 SuperGaN 技术。Transphorm 希望其 SuperGaN FET 像硅基超结 MOSFET 的发展一样,通过提供更出色的性能,提高用户的整体投资回报率,在功率等级方面创造新的设计机会。

 


Transphorm 的 GaN 技术平台

 

该公司拥有行业最强的 GaN IP 地位,2010-2015 年与富士通(Fujitsu)和古河电工(Furukawa Electric)合作,包括一些专利转让项目。通过这样的“捷径”,该公司拥有了 1000 多项全球专利和授权,专利组合(自有+独家授权)价值超过 2.25 亿美元。正如 Primit Parikh 所说:“我们今天在为所有希望从 GaN 功率电子市场战略优势中获益的人提供梦寐以求的专利组合。”

 


1000 多项全球专利和授权

 

在客户批量生产的高性能功率转换器和逆变器产品中,Transphorm 已经部署了超过 25 万片 650V GaN FET,包括 600V 至 900V 和 JEDEC 至 AEC-Q101 GaN 产品组合。2020 年 2 月,该公司与优先客户签署联合开发协议,汽车用 GaN 新产品的路线图和技术合作浮出水面。


Transphorm 的汽车级 AEC-Q101 标准 GaN 器件是 FETTP65H035WSQA,其鉴定测试期间的温度高达 175℃。该器件采用标准 TO-247 封装,典型导通电阻为 35mΩ。与其前代产品 49mΩ GenII TPH3205WSBQA 一样,该器件适用于插入式混合动力电动汽车和电池电动汽车的 AC/DC OBC、DC-DC 转换器和 DC/AC 逆变器系统,可实现 AC/DC 无桥图腾柱 PFC 设计。

 


3.3kW 电动汽车 OBC 200kHz 相移全桥参考设计

 

2018 年 4 月,Transphorm 与 Nexperia 的投资和授权合作协议到期,后者支付 5000 万美元以换取股权、IP 授权、转让和汽车市场准入,形成了更好的汽车市场渗透,并创造了第二个 GaN 来源。


没错,任何新技术被市场接受的关键在于重要细分市场中领先客户的采用,加上能够支持随后大批量生产的更多强大供应商的出现,这样才能建立和增强对供应链的信心,真正获得 GaN 节能的好处。


Nexperia(安世半导体)专攻车规器件:全球汽车行业独立供应商,前身是恩智浦的标准产品事业部,2017 年初独立运营,Transphorm 是其唯一参股公司;2019 年收入 150 亿美元,同年被闻泰科技收购。Nexperia 在大批量生产满足汽车行业严格标准(AEC-Q100/Q101)的可靠和必需的半导体元件方面处于领先地位。


大约十年前,还是 NXP 的一部分时,Nexperia 即已开始研究机械稳定的化合物半导体 GaN,探索其在光电子学中的应用,以及为高频和高功率设备提供许多显著性能的优势。研究发现,GaN 不仅可以轻松处理比块状硅高得多的电压,而且还具有很高的热容和导热率。因此,它是 650V 大功率 FET 的理想技术。


2019 年 11 月,是 650V GaN FET 的理想时间,Nexperia 正式进入高压领域,迈出了满足大功率 FET 不断增长需求的第一步。之后,公司继续朝着包括表面贴装版本在内的汽车认证器件的方向发展,以硅基 GaN FET 所提供的更高功率密度和效率推动汽车动力总成的电气化。其电动汽车用 GaN 技术的第一款产品是 GAN063-650WSA。


同期推出的 NX-HB3500EV 评估板是采用 Nexperia 功率 GaN FET 的半桥转换器电路,提供了简单的降压或升压转换器元件。它可以在稳态 DC-DC 转换器模式下使用,输出功率高达 3.5kW。在升压模式下,以 200VDC 输入和 400VDC 输出,在 50kHz 和 100kHz 开关频率下测得的效率非常优异。

 


200V:400V 升压转换器的效率

 

Dilder Chowdhury 表示:“元件的生产必须为客户创造最高的经济效益。我们是一家以汽车元器件为主要业务的公司,因此我们推出的任何新技术都必须保持最高品质。我们在质量上绝不容许任何妥协。”


他认为,相对于硅技术而言,高功率 GaN 是一种新兴技术。这种技术面临着诸多挑战:从外延材料到晶圆处理,再到批量生产。Nexperia 采用内部质量流程,在每个创新阶段和生产环节都保持相同的质量和可靠性水准;同时采用自有的 SMD 封装 CCPAK(铜夹片封装技术),以保持对生产流程的完全控制和实现批量生产。


ST(意法半导体)打造量产能力:为增加 GaN 技术积累实力,将产品组合扩展至 GaN 领域,2020 年 3 月,收购了法国氮化镓创新企业 Exagan 多数股权。此前 ST 已在建设一条新产线,将于 2020 年投产,用于生产包括硅基 GaN 异质外延在内的产品。


2018 年 ST 与 CEA-Leti 展开功率 GaN 合作,主要涉及常关型 GaN HEMT 和 GaN 二极管的设计和研发,以充分利用 CEA-Leti 的知识产权和 ST 的专业知识。ST 在位于法国的 CEA-Leti 中试线上研发产品,在技术成熟后转移至 ST 在法国的 200 毫米量产线。

 


ST 不断加大 GaN 的投入

 

Exagan 何以进入 ST 的法眼?凭借的是提供最佳器件性能的轻松技术集成。其外延工艺、产品开发和应用经验有助于拓宽并推进 ST 的汽车、工业和消费用功率 GaN 的开发规划和业务。Exagan 成立于 2014 年 4 月,是一家衍生公司,由两名原始投资者 Soitec 和 CEA-Leti 及四只投资基金支持。该公司致力于研发体积更小、能效更高的功率转换器,推进功率电子行业从硅技术向硅基 GaN 技术转变。Exagan 的 GaN 功率开关是为标准 200 毫米晶圆设计的。其独特的垂直整合业务模型可确保其产品在最终应用中针对可靠性和性能进行优化,包括控制材料的生长、器件设计、在标准大批量 CMOS 晶圆厂中进行处理、封装、应用测试和支持。这些都有助于其兑现提供基于 GaN 的解决方案,使运营效率和系统成本超过硅器件极限的承诺。


Exagan 联合创始人、总裁兼首席执行官 Frédéric Dupont 表示:“自从硅 MOSFET 发明以来,作为对功率电子路线图的最大颠覆,GaN 晶体管正在重新发明功率转换器的设计方式,以提高效率和更好地利用能源。”

 


Frédéric Dupont

 

他表示,晶体管是功率转换的核心,当今转换器的尺寸和效率正受到晶体管的限制。当开关频率增加时,硅功率晶体管的性能会下降,开关损耗增加。这限制了转换器设计人员创建可在所有功率范围内使用的高级电路架构。凭借来自先进材料全球领导者 Soitec GaN 技术的十年研发经验,GaN 可以利用更少无源元件的创新转换器设计来提高效率,减小尺寸和材料清单来构建新的转换器,从而经济地满足新应用需求。

 


制造过程全面控制是实现成本竞争力和质量的保证

 

1996 年,ST 即已成为宽带隙材料市场的主要参与者之一,现在正利用 650V 和 100V 常关型 GaN HEMT 器件来扩展宽带隙功率产品组合。通过上述收购及合作,未来 ST GaN 产品将瞄准汽车电气化环境。ST 的 10 年长期供货计划也将确保持续稳定地向客户提供所选器件。


VisIC 不断挑战功率密度:VisIC Technologies 是一家以色列公司,由氮化镓技术专家创立,旨在开发和销售基于 GaN 的先进功率转换产品。其开发并推向市场的基于 GaN 的晶体管和模块专门针对混合动力和电动汽车、数据中心、可再生能源和工业电机的高功率转换应用。VisIC 已获得 GaN 技术的主要专利,还有其他专利正在申请中。


VisIC 销售和营销高级副总 Ran Soffer 认为,GaN 将取代当前在功率转换系统中使用的大多数硅基产品。由于充电站基础设施受限于各种条件,汽车中 OBC 至关重要。汽车制造商也正在努力使 OBC 冷却系统的成本、尺寸和重量最小化。这种趋势与 GaN 技术的优势非常吻合,尤其是 VisIC 的 D3GaN 解决方案。由于 GaN 可以快速开关且损耗最低,因此无源元件可以减少一半或 1/3。更小、更低成本、更高效的系统可以扩大电动汽车里程;低开关损耗使冷却系统更简单,甚至可以采用风冷的 OBC 解决方案,从而降低了汽车成本。


2018 年,VisIC 推出一款新的水冷半桥评估板,展示了使用其全 GaN 开关(先进低损耗开关)实现的性能。V22N65A-HBEVB 评估平台可以在任何半桥拓扑中运行,仅使用无需并联的单个 V22N65A 晶体管,进行了高达 9kW 降压和升压拓扑的测试,为混合动力和电动汽车 OBC 提供了高功率密度的选择。


2019 年,该公司为快速增长的电动汽车市场提供了一款 6.7kW OBC 参考设计。其尺寸和重量分别仅为 2.3L 和 4.5kg,可提供近 3kW/L 的功率密度,再次证明了 GaN 开关的颠覆能力。与当今市售产品相比,其功率密度提高了 3 倍;在较宽负载范围效率高达 96%以上,有助于汽车制造商降低功率损耗,并为电动车主提供更快的充电速度。Ran Soffer 表示:“这款参考设计可以帮助客户加快设计,快速高效地将一流的 xEV 充电器投入市场,也让电动汽车更高效、更轻、更便宜。”

 


6.7kW OBC 参考设计

 

人们普遍认为,GaN 技术与其他宽带隙技术相比成本较低,GaN 技术将主要用于 400V 电源总线,而 SiC 通常用于更高功率的高压 800V 电源总线。2020 年 3 月,VisIC 最新的 100kW 逆变器参考设计证明 GaN 技术也可以用于 800V-900V 电源总线,从而为高压电源总线提供了最经济有效的解决方案。

 


100kW 逆变器参考设计

 

基于 D3GaN 技术的 100kW 逆变器参考设计采用 VisIC 高热效率、高阈值电压、快速开关和易于并联的 SMD 封装 GaN 器件,为 EV 提供了最具成本效益、高效且可靠的电动汽车逆变器解决方案,工业、光伏等领域也可以使用。


由于 D3GaN 器件的开关损耗低,在 40kHz 开关频率下,该参考设计估计的峰值效率可达 99.3%。带液体冷却散热器的总尺寸为 26.9 x 21.4 x 3.5cm3,包括液体冷却在内,功率密度为 50kW/L,总重量约为 2.5 公斤。


VisIC 创始人及首席技术官 Gregory Bunin 表示:“我们与德州大学的合作展示了专业的电源设计和创新的系统解决方案,这一突破还将使 800V 电源总线的电动汽车受益于 GaN 的低成本和高效率,并提供经济高效的电动汽车,从而使我们的地球更绿色、更清洁。”

 


Gregory Bunin

 

参与合作研发的德州大学奥斯汀分校半导体功率电子中心主任 Alex Huang 博士说:“以前,GaN 在实现充电器的高功率密度方面表现出了优越的性能,得益于 VisIC GaN 优越的封装理念和低损耗,我们相信在牵引逆变器等大功率应用中也可以实现更高功率密度。”


英飞凌 GaN 仍是中小功率:上面说过,如果英飞凌收购 Cree 旗下 Wolfspeed 的 Power 和 RF 业务获得成功,那又当别论。为了补齐产品线,2015 年英飞凌收购国际整流器公司(IR),在硅基 GaN 领域迈了一大步,但仍需要松下的 HD-GIT 专利许可来巩固收购获得的成果,而且 IR 的技术只适合中、低功率应用。这恐怕也是到 2018 年底英飞凌量产的 CoolGaNTM 400V 和 600V HEMT 只适合低功率 SMPS 和电信整流器应用的原因。当然,英飞凌的大功率 SiC 还是风生水起。

 


CoolGaNTM 的主要应用领域

 

未来规划


最后,半导体行业的发展历史表明,人们不会一下就放弃使用旧技术,GaN、SiC、Si 三种技术将会共存。但在新的领域,旧技术无法做到的事情将成为可能。况且,从电池到车轮的直接功率转换器可能需要几年时间才能推出,时下最重要的是向世界展示 GaN 的优势。


从企业层面看,要启动和保持获利性的增长,就必须超越产业竞争,开创全新市场,包括突破性增长业务。GaN 就是一个有待探索的新知市场空间,尚无恶性竞争,是充满利润和诱惑的新兴市场,值得深挖!但是,我们也必须看到,国外一些领先企业对第三代半导体技术已耕耘了几十年,形成了完整的专利链和产业链,国内企业要想弯道超车需要做出更大的努力。