GaN“上車”進程加速，車用功率器件市場格局將改寫

根據(jù)Yole機構(gòu)2024 Q1的預測，氮化鎵 (GaN) 功率半導體器件市場2023至2029年平均復合年增長 (CAGR) 將高于45%，其中表現(xiàn)最為搶眼的是汽車與出行市場（automotive & mobility），“從無到有”，五年后即有望占據(jù)三分之一的GaN應用市場（圖1）。而相比之下，碳化硅（SiC）應用市場成長則顯得比較溫和，CAGR遠低于GaN（圖1）。隨著GaN“上車”進程加速，功率器件器件市場競爭格局或?qū)⒈桓膶憽?/span>

圖1：在GaN市場份額變化中，汽車與出行市場 “從無到有”，五年后占1/3 GaN市場。同期GaN復合增長趨勢明顯強于SiC市場（資料來源：Yole Q1 2024）

GaN入局汽車功率器件市場

眾所周知，新興的半導體技術(shù)正在重塑功率器件市場。Yole機構(gòu)最新統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，未來三年，功率器件市場規(guī)模的將從目前的200多億美元增長至300多億美元，寬禁帶（WBG）半導體器件——SiC和GaN——占比有望超過三成（圖2）。

圖2：SiC和GaN功率器件市場份額將在2028年達到30% (資料來源：Yole 2023)
Omdia對功率器件應用市場構(gòu)成進行的分析表明，高壓大功率應用市值占80%以上，包括工業(yè)、汽車、計算與存儲等領(lǐng)域（圖3）。其中，混合/純電動汽車(HEV/EV）將是這場競爭的主競技場——純電動汽車的“硅含量”是內(nèi)燃機車的2.5倍，且市場規(guī)模也在持續(xù)增長，至2027年全球電動汽車的銷量將超過燃油車。

圖3 ：高壓大功率應用占功率器件市值80%以上，混合/純電動汽車(HEV/EV）是高壓大功率器件未來最重要的競爭市場。（資料來源：Omdia 2024 ）

之所以寬禁帶化合物半導體功率器件在電力電子市場備受青睞，主要是因為基于GaN或者SiC的開關(guān)電源損耗小、工作頻率高，在功率密度、可靠性和降低（系統(tǒng)）成本等方面有著明顯優(yōu)勢。這些優(yōu)勢得益于材料的諸多特性，如更寬的帶隙、高臨界場強、更高的電子遷移率?；谶@類材料的功率器件，導通電阻能做到很小，并能夠工作在相對更高的電壓下，而傳統(tǒng)硅基器件則達到了性能極限。

隨著特斯拉在EV主逆變器上采用SiC，寬禁帶技術(shù)吹響進軍汽車應用市場的號角。Yole數(shù)據(jù)顯示，EV是SiC市場最主要的驅(qū)動力，電動汽車應用占了SiC市場的75%（圖1）。然而，2023至2024年期間，業(yè)界也看到SiC的推廣在商業(yè)和技術(shù)層面都面臨著結(jié)構(gòu)性的硬挑戰(zhàn)，比如制造良率、器件可靠性和供應鏈成本等。

而相比之下，同為寬禁帶半導體，GaN的大規(guī)模市場應用時間更早，領(lǐng)域更廣泛——RF射頻、LED照明、激光、光電領(lǐng)域都早已活躍著GaN的足跡，而在高壓大功率應用中更是不乏GaN的身影，比如太陽能、人工智能、計算中心、航空、區(qū)塊鏈應用等領(lǐng)域。根據(jù)The Information Network機構(gòu)的預測，2021-2025年期間，GaN的復合年均增長率達53.2%，超過碳化硅的42.5%。功率器件市場將是未來幾年GaN與SiC角逐的主賽場。

GaN在汽車行業(yè)，也顯現(xiàn)出了不容忽視的發(fā)展?jié)摿Α?/span>Transphorm業(yè)務發(fā)展與市場營銷高級副總裁Philip Zuk表示：“GaN功率半導體技術(shù)，以其更好的性能、更高的制造良率、以及材料和制造成本較低，符合汽車ODM和OEM成功所需的性能和成本結(jié)構(gòu)。” Philip認為，現(xiàn)階段甚至未來一段時間SiC成本的降低，主要是由中國市場2024年初起拉動的襯底價格大幅降低所導致的。根據(jù)Asia Waypoint公司的市場數(shù)據(jù)，中國的碳化硅襯底產(chǎn)量占了2023年全球市場供應量的42%；這家專業(yè)于中國市場分析、位于北京的咨詢公司甚至預測，中國制造的SiC襯底將于2026年升至50%，占據(jù)全球市場的半壁江山，一改近年來一直由Wolfspeed獨家擁有70%以上的市場格局。

碳化硅襯底市場的這一影響深遠的內(nèi)在變化，加之由于價格內(nèi)卷、租賃市場變化、補貼政策調(diào)整等等外部因素，讓電動汽車市場隨時可能面臨的需求“凜冬”，并迅速影響SiC市場收益，利潤率被擠壓并波及整體SiC供應鏈。

GaN在電動車和出行市場正值起步階段，并不斷提升產(chǎn)能和效率，降低供應鏈成本。由于GaN具有高性能特性，且已經(jīng)在很多大功率應用領(lǐng)域經(jīng)受住了市場的考驗，加之持續(xù)的技術(shù)進步和制造成本降低，讓GaN技術(shù)應用不再是設(shè)計工程師的挑戰(zhàn)，而是可以幫助客戶實現(xiàn)更佳的解決方案。

提升EV的性能優(yōu)勢

GaN器件獨特的優(yōu)勢，特別是采用常閉型耗盡型（D-mode）架構(gòu)的GaN器件，背后是基礎(chǔ)物理學規(guī)律的支撐，即所謂的“二維電子氣”（2DEG）。2DEG是在器件未摻雜的GaN和AlGaN層之間自發(fā)產(chǎn)生的一個暢通溝道（圖4）。由于2DEG的存在，GaN器件的電子遷移率遠高于市場上的任何其它半導體材料。

圖4：GaN器件的優(yōu)勢來自“二維電子氣（2DEG）”（資料來源：Transphorm）

材料的電子遷移率越大，相同電場強度下電子的速度越高，每個電子攜帶的電流就越大。GaN與SiC器件材料的最顯著的區(qū)別就是GaN的電子遷移率是SiC的近三倍，這意味著電子通過GaN要比SiC快得多。憑借如此高的電子遷移率，在實際應中，GaN可以獲得高電流，與 Si 或 SiC 相比，開通或關(guān)斷GaN所需要的電荷更少，也就是說，每個開關(guān)周期所需的能量更少，有助于提高效率。

同時，GaN 的高電子遷移率允許器件具有高得多的開關(guān)速度，基于 GaN晶體管的功率轉(zhuǎn)換器可以在數(shù)百kHz的頻率下高效運行，而基于硅或 SiC 的功率轉(zhuǎn)換器的頻率約為100 kHz。

高效率還意味著可以采用更小的散熱裝置，而在高頻下運行則意味著外圍電感器和電容器也可以非常小，因此基于GaN器件的功率轉(zhuǎn)換器可以做到尺寸更小、重量更輕，大大降低整體的系統(tǒng)成本。

此外，在高壓應用中，SiC電阻溫度系數(shù)（TCR，coefficient of resistance)隨著應用溫度升高而增大，影響SiC電氣性能的發(fā)揮。我們看到目前新一代SiC MOSFET在向溝槽結(jié)構(gòu)發(fā)展，這將有助于減小管芯尺寸，提升產(chǎn)量并降低成本，但是，溝槽結(jié)構(gòu)同時會導致較低的額定電流，并對碳化硅材料的TCR“優(yōu)勢”產(chǎn)生負面影響——目前的SiC與硅基GaN的TCR是不相上下的。相反，GaN成本更低，現(xiàn)在不僅開關(guān)損耗更低，而且傳導損耗也將于SiC器件“平起平坐”，這將更有利于GaN市場的未來發(fā)展。
因此，提升EV性能和效率，GaN具有更大的優(yōu)勢。

拿EV的電機驅(qū)動逆變器來說，GaN更高的開關(guān)速度就具有更大的優(yōu)勢。由于驅(qū)動逆變器沒有磁性組件，因此成本的降低全都與功率半導體相關(guān)。高電子遷移率使得GaN器件可在更高的頻率下使用，產(chǎn)生更平滑的正弦波，提高電機的效率，從而減少功率損耗。使用GaN替代目前常用的硅器件IGBT和/或平面型SiC MOSFET，不僅提高逆變器效率，降低“硬開關(guān)”損耗，還可以讓更多的能量用于驅(qū)動車輪，從而緩解用戶的里程焦慮。

此外，相較于SiC，GaN還可以提供更高的功率密度，因此開發(fā)者能夠以相同的外形尺寸開發(fā)更高功率的車載充電器，從而提高電池充電速度。

需要指出的是，共源共柵形式的常閉耗盡型GaN平臺（比如Transphorm的SuperGaN）才保持了2DEG的自然狀態(tài)，并充分利用其固有優(yōu)勢。而如果采用增強型的GaN設(shè)計，則會破壞2DEG，影響器件的總體性能和可靠性，特別是在高壓大功率范圍。因此，常閉耗盡型是汽車功率應用中更優(yōu)的GaN解決方案。

更優(yōu)的供應鏈保障

除了器件基礎(chǔ)性能帶來的性能和成本優(yōu)勢，與基于SiC的系統(tǒng)相比，基于GaN的功率系統(tǒng)還具有較低成本的供應鏈以及更優(yōu)的制造工藝。SiC襯底材料成本是硅和藍寶石的20-25倍，而且，SiC襯底材料缺陷——特別是當額定電流高于100A，裸晶尺寸變大時將嚴重影響生產(chǎn)良率。而100A在超過100kW的電機驅(qū)動逆變器中相當普遍。

GaN平臺的制造技術(shù)更簡單，只需使用標準硅器件制造設(shè)備和工藝便可獲得相同的良率，這與SiC制造工藝形成了鮮明的對比。SiC 的襯底、外延和制造成本高于 GaN，這也為GaN提供了搶占市場份額的機會。

GaN器件還能夠為汽車應用領(lǐng)域拓展“第二貨源”，引入更多車規(guī)級封裝選項，比如底部冷卻的TOLL，頂部冷卻的TOLT、PSOP-20和LFPAK1212，以及行業(yè)內(nèi)在討論的TO-247-4L封裝（可以引腳對引腳插入式兼容SiC）等等，幫助整車制造商降低采購成本。

如今，汽車應用領(lǐng)域?qū)捊麕Ъ夹g(shù)已經(jīng)度過了FOMO（缺席焦慮期），最近瑞薩電子（Renesas）收購Transphorm，也表明半導體行業(yè)的頭部廠商也在通過擴大規(guī)模和優(yōu)化結(jié)構(gòu)、打造更為穩(wěn)定的GaN供應鏈，迅速切入電動汽車市場。

提供高質(zhì)量和高可靠性

GaN在汽車應用方面仍處于起步階段，立足并穩(wěn)步發(fā)展的基礎(chǔ)是GaN技術(shù)必須擁有與性能相匹配的質(zhì)量和可靠性。

現(xiàn)有GaN市場的供應商，有使用代工生產(chǎn)的GaN供應商，也有采用垂直整合商業(yè)模式的公司。后者擁有全面的設(shè)計、外延片生產(chǎn)、晶圓制造工藝能力，在這些關(guān)鍵領(lǐng)域擁有豐富的知識和產(chǎn)權(quán)，因此比無晶圓廠GaN供應商更具優(yōu)勢，不僅可以靈活地滿足客戶需求，在千瓦級終端應用中，保證解決方案的最佳可靠性。

目前業(yè)內(nèi)還沒有GaN器件的任何JEDEC質(zhì)量標準文件，但各個GaN在“品控”方面的努力從未停止。Transphorm早在十多年前便開始了“超越”JEDEC和AEC-Q101的測試，根據(jù)客戶對動態(tài)導通電阻（擊穿電流）的擔憂，還增加了長期開關(guān)測試項目，并發(fā)布了高壓GaN器件早期失效數(shù)據(jù)。據(jù)悉，Transphorm的GaN技術(shù)產(chǎn)品是唯一被納入各種任務關(guān)鍵型應用設(shè)計并實際投產(chǎn)的產(chǎn)品，涵蓋了航空航天、數(shù)據(jù)中心、液冷區(qū)塊鏈和機架式UPS等電源領(lǐng)域，所生產(chǎn)的器件實現(xiàn)了非常突出的現(xiàn)場可靠性，目前FIT失效率小于0.05。

技術(shù)創(chuàng)新的擴展空間

如果說上述GaN在性能、供應鏈、可靠性和質(zhì)量方面的優(yōu)勢，有助于其找到汽車應用方面的市場切入點，快速“上車”，不過想要站穩(wěn)腳跟并繼續(xù)擴大自己的應用版圖，則需要持續(xù)的技術(shù)創(chuàng)新。

傳統(tǒng)上認為，GaN器件更適用于數(shù)百伏以下的應用，而要使 GaN 能夠適用于SiC目前工作的更高電壓的大功率應用，必須要有額定電壓為 1200V的成本效益型高性能GaN器件。

常閉耗盡型650V的GaN通常使用硅襯底，Transphorm已有額定電壓為 900 V的GaN晶體管。最近Transphorm又展示了在藍寶石襯底上制造的1200V GaN 器件，其電氣和熱性能均與 SiC 器件旗鼓相當。由于GaN外延和藍寶石襯底的成本降低，預計2025 年第一代 1200V GaN 晶體管的價格即可低于SiC同類產(chǎn)品。而且，在這些高壓器件中，GaN較高的內(nèi)在電子遷移特性仍會得以保留，這也就意味著其仍具有開關(guān)速度比SiC快的優(yōu)勢，這顯然有助于打造更輕、更小的高壓、大功率產(chǎn)品和方案。

另外，GaN FET的封裝形式也向著多樣化發(fā)展，有著極大的擴展創(chuàng)新空間。車載應用中需要考慮苛刻的散熱條件，這極為重要。單片的GaN解決方案，比如四象限開關(guān)或雙向開關(guān)，同時提供電壓和電流控制（圖5左），可以有效且高效地減少零件數(shù)量，并移除兩個功率級之間的直流鏈路電容器。

圖5：器件封裝和系統(tǒng)應用中，GaN也有極大的技術(shù)創(chuàng)新空間（資料來源：Transphorm）

圖5右是常用車載充電器示意圖，此處的電解電容器通常是電源最開始發(fā)生故障的地方，因為它們會由于外殼內(nèi)部的散熱問題發(fā)生電解液干涸。通過降低成本（去除直流鏈路電容器），同時還提高效率并減少發(fā)熱，系統(tǒng)便可在較低溫度下運行，從而延長充電器的使用壽命。

基于創(chuàng)新的封裝技術(shù)，未來還能夠開發(fā)出使用對流空氣冷卻（而非水冷方式）的車載充電裝置；這項技術(shù)還可以借助只有一半器件數(shù)量的AC-AC矩陣轉(zhuǎn)換器來驅(qū)動電流源電機。

總結(jié)

電動汽車動力總成的各種組件，比如車載充電器、DC-DC轉(zhuǎn)換器、輔助逆變器、傳動系逆變器、電機驅(qū)動器、電池管理系統(tǒng)等應用，以及為EV配套高效、安全、便捷的充電基礎(chǔ)設(shè)施，均可以受益于GaN的高頻、高效和雙向轉(zhuǎn)換功能。GaN器件在性能、供應鏈、可靠性以及可擴展性方面的優(yōu)勢潛能，也將隨著應用的拓展不斷釋放出來。

有分析表明，EV逆變器采用SiC后，比傳統(tǒng)硅基器件優(yōu)化了30%，如果電動汽車中其他大功率應用可以從GaN技術(shù)中獲益，還可為汽車應用再帶來額外20%的優(yōu)化。GaN”上車”后會給我們帶來什么樣的驚喜，讓我們拭目以待。