氮化鎵搶搭電動車熱潮

作者 : Maurizio Di Paolo Emilio,Power Electronics News & EEWeb主編

能源轉型的挑戰涉及不同的市場。電動車(EV)的技術進步正在降低成本,但最重要的是為許多消費者提供了所需要的更高效率和續航里程...

能源轉型的挑戰涉及不同的市場。電動車(EV)的技術進步正在降低成本,但最重要的是為許多消費者提供了所需要的更高效率和續航里程。針對整個動力傳動系統,更高功率密度的電池、更高效的電動馬達以及新型寬能隙(WBG)半導體解決方案的組合正推動市場的發展。

氮化鎵(GaN)是一種具有顯著固有特性的寬能隙材料。它在系統級提供了許多優勢,可以獲得更好的性能。

Yole Développement (Yole)技術和市場分析師Ahmed Ben Slimane和Poshun Chiu表示,「採用更高功率密度的元件,以及降低系統重量,是增加續航里程的兩種方法。GaN可以在更高頻率下以更高的效率運行,其性能優於矽(Si) MOSFET元件,從而可減少系統中被動元件的數量並提高功率密度。」

Ben Slimane和Chiu指出,從2022年開始,GaN有望實現小量滲透率,主要與OEM和Tier 1供應商的出樣有關。「預計GaN將滲透到48V至12V DC/DC轉換器。在這方面,我們已經看到在輕混合電動車(MHEV)中有標準化48V系統的趨勢,從而增加輸電能力並減少電阻損耗。」

Yole指出,可為GaN帶來大好機會的另一個市場是車載充電器(OBC),在這方面,GaN非常適合滲透到較低功率的充電器類型中(3kW到幾十kW)。但是,Ben Slimane和Chiu說,「總的來說,GaN將與碳化矽(SiC)和Si形成競爭,尤其是SiC將在更大功率和更高電壓(超過1,200V)方面受到青睞,特別是在逆變器級。」

Yole預計,2026年,GaN功率元件在汽車和行動市場的市值將超過1.55億美元。

氮化鎵

「如同任何新技術一樣,它需要有一定的技術可靠性和產業成熟度,以及可接受的性價比,才能進入大眾市場。」Ben Slimane和Chiu表示,「透過進入快速充電器市場,GaN無疑地將轉向大量生產,規模經濟也將隨之而來。」

氮化鎵的能隙為3.2電子伏特(eV),比矽的能隙(相當於1.1eV)高近3倍。這意味著需要使用更多的能量來激發半導體導電帶中的價電子。雖然這一特性限制了GaN在超低電壓應用中的使用,但其優勢在於可實現更高的擊穿電壓以及在更高溫度下的熱穩定度更佳。GaN極大地提高了功率轉換級的效率,可在高效電壓轉換器、功率MOSFET和蕭特基二極體的生產中作為矽的重要替代品。與矽相比,GaN提供了重要的改進,例如更高的能效、更小的尺寸、更輕的重量和更低的總成本。

GaN和SiC都是寬能隙材料。雖然這些材料具有出色的性能,但它們的特性、應用和閘極驅動要求是不同的。SiC可以在大功率和超高壓(650V以上)應用中與IGBT電晶體競爭。同樣地,在電壓高達650V的電源應用中,GaN可以與當前的MOSFET和超接面(SJ) MOSFET競爭。

「如果我們首先關注功率GaN中的各種基底,那麼今天的矽基GaN (GaN-on-Si)代表了更大的市場份額,因為很少有廠商使用藍寶石基GaN。」Ben Slimane和Chiu表示,「隨著產業從6英吋發展到8英吋,我們將在矽基GaN平台上看到更多參與者。目前,很少有廠商採用8英吋平台。例如,Innoscience和X-Fab以及其他一些業者正在為未來幾年做準備。此外,隨著晶圓尺寸增加,需要解決外延方面的一些挑戰。為了解決8英吋平台上的晶圓彎曲和裂紋問題,就需要採用複雜的外延結構來補償晶格和熱係數的不匹配問題。開發良好的外延製程至關重要,因為GaN是在異質矽基底上生長的,因此會在外延層上產生若干致命缺陷和不均勻度。」

Yole評論說,矽基GaN也被認為是汽車應用的平台。但考慮到與Si和SiC的競爭,GaN可能成為在汽車和行動領域中的中功率應用之候選材料。

Ben Slimane和Chiu表示,「其他新興基底對GaN來說也具有吸引力——例如絕緣層上覆矽(SOI)、基板技術(QST)或塊狀GaN。開發整合或垂直元件的潛力取決於應用,而且GaN元件的發展趨勢將受到密切關注。說到這些新興基底的供應鏈,它仍處於發展過程中且其產量很低,終端使用者可能還需要時間才會採用新技術。」

Yole指出,人們對於在高功率應用中使用GaN具有相當大的興趣,例如電動車的逆變器(1)。然而,Ben Slimane和Chiu表示,「目前在矽或藍寶石基底上生長的主要是橫向GaN HEMT,它仍然易於受到表面擊穿的影響,因此,一些業者正專注於低電流和650V左右的電壓,而高壓GaN元件的商業化開發也正在進行中。」

對於高功率應用,橫向結構的晶片尺寸必須增加,或者GaN必須採用類似SiC和Si IGBT的垂直結構,也即需要採用同質GaN基底。然而,到目前為止,這種結構的尺寸受到限制且成本較高。

 


圖1:氮化鎵功率元件的發展藍圖。

(來源:Yole)

整合

電動車市場仍面臨兩大挑戰:成本和續航里程。後者被認為是促使電動車被完全採用的主要趨勢。降低成本和提高系統效率的一種方法是整合動力傳動(2)。整合涉及細緻的設計以及對安全概念和潛在相互作用的透徹理解。整合還能減少對多餘封裝材料的需求並省去冗餘硬體,從而顯著降低系統的重量和體積。

德州儀器(TI)高壓電源產品市場與應用經理Ramanan Natarajan表示,「將動力傳動系統整合到緊湊的機械外殼中,可以實現更實惠、更高效的電動車。實現這一目標的關鍵挑戰包括:(a)減小電感器和變壓器等笨重元件的尺寸以及整體PCB尺寸;(b)降低功率損耗以簡化散熱管理——這在將兩個系統(例如牽引逆變器+高壓到低壓[HV-LV] DC/DC轉換器)組合在一起而使之共同工作時尤為重要;(c)重量和外形尺寸的機械考慮因素,這決定了衝擊測試和振動測試下的性能。GaN憑藉其低開關功率損耗,可以實現更小、更輕、更便宜的動力傳動系統並簡化整合。」

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