能源转型的挑战涉及不同的市场。电动汽车(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的更大里程和效率。面向整个动力总成系统的更高功率密度的电池、更高效的电动机以及新型宽禁带半导体解决方案，三者的组合正在推动市场的发展。氮化镓(GaN)是一种具有显著本征特性的宽禁带材料。它在系统级别提供了许多优势，可以获得更好的性能。
“采用更高功率密度的器件和降低系统重量，是增加里程的两种方法。”Yole Développement(Yole)的技术和市场分析师Ahmed Ben Slimane和Poshun Chiu表示，“GaN可以在更高的频率下以更高的效率运行，性能优于硅(Si)MOSFET器件，从而可减少系统中无源元件的数量并提高功率密度。”
Ben Slimane和Chiu指出，从2022年开始，GaN有望实现小批量渗透，主要与OEM厂商和1级供应商的试样有关。“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电动汽车(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。”Ben Slimane和Chiu指出。
Yole指出，在GaN方面，另一个代表好机会的市场是车载充电器(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，总的来说，GaN将与SiC(碳化硅)和Si形成竞争，”Ben Slimane和Chiu说，“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，特别是在逆变器级别。”
Yole预计2026年GaN功率器件在汽车和移动市场的市值将超过1.55亿美元。
“像任何新技术一样，它需要有一定的技术可靠性和工业成熟度，以及可接受的性价比，才能进入大众市场。”Ben Slimane和Chiu表示，“通过进入快速充电器市场，GaN无疑将转向大批量生产，规模经济就将随之而来。”
氮化镓的带隙为3.2电子伏特(eV)，比硅的带隙(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，但它的优势在于可实现更高的击穿电压和在更高的温度下更高的热稳定性。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和肖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、应用和栅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，在电压高达650V的电源应用中，GaN可以与当前的MOSFET和超级结(SJ)MOSFET竞争。
“如果我们首先关注功率GaN中的各种衬底，那么今天的硅基GaN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，“随着行业从6英寸发展到8英寸，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英寸平台。例如，Innoscience和X-Fab以及其他一些参与者正在为未来几年做准备。随着晶圆尺寸的增加，需要解决外延方面的一些挑战。为了解决8英寸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。开发良好的外延工艺至关重要，因为GaN是在异质硅衬底上生长的，因此会在外延层上产生若干致命缺陷和不均匀性。”
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可能成为汽车和移动领域当中中等功率应用的候选材料。
“其他新兴衬底对GaN来说也具有吸引力——例如SOI、QST或体GaN。”Ben Slimane和Chiu表示，“开发垂直器件集成的潜力取决于应用，并且GaN器件的发展趋势将受到密切关注。说到这些新兴衬底的供应链，它仍处于发展过程中并且产量很低，最终用户采用新技术可能还需要时间。”
Yole指出，人们对在大功率应用中使用GaN产生了相当大的兴趣，例如电动汽车的逆变器(图1)。“然而，今天在硅或蓝宝石衬底上生长的主要是横向GaN HEMT，它仍然容易受到表面击穿的影响，因此，一些参与者正专注于小电流和650V左右的电压，高压GaN器件的商业化开发也正在进行中。”Ben Slimane和Chiu表示。
对于大功率应用，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衬底。然而，到目前为止，这种结构的尺寸受到限制并且成本很高。
图1：氮化镓市场。(图片来源：Yole)
电动汽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汽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集成动力总成(图2)。集成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。集成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。
“将动力总成系统集成到紧凑的机械外壳中，可以实现更实惠、更高效的电动汽车。”德州仪器(TI)高压电源产品市场与应用经理Ramanan Natarajan表示，“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元器件的尺寸以及整体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DC/DC转换器)组合在一起而使之同时工作时尤为重要；(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、更便宜的动力总成系统并简化集成。”
要实现集成的推进架构，还需要使用实时微控制器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。采用符合汽车标准的GaN技术等技术的电动汽车，可以通过以更高的效率工作和节省热能来帮助延长续航里程。这意味着可以采用更少的冷却元件和实现更低的成本。
图2：电动汽车动力总成。（来源：德州仪器）
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信和工业设计。电动汽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，同时通过集成栅极驱动器，还可提供约60%的尺寸减小和高达2.2MHz的开关速度。
“GaN FET非常适合电动汽车中的AC/DC车载充电器和高压到低压DC/DC转换器。”Natarajan表示，“OEM厂商要求这些动力总成系统提供越来越多的动力，以便减少电动汽车的充电时间，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可以以＞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数校正(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宽调制转换器用于高压到低压DC/DC转换器。
电动汽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来支持数百千瓦的功率。Natarajan表示，这种系统更适合使用Si IGBT或SiC MOSFET；另一方面，车载充电器和高压到低压DC/DC转换器(额定功率高达25kW)则非常适合使用GaN。
由于GaN和其他宽带晶体管在结构和材料上与硅器件不同，因此就需要依靠量身定制的测试指南来确保器件的可靠性。测试指南是提高对GaN可靠性的信心和加速全行业采用的关键。
（本文授权编译自EDN电子技术设计姐妹网站Power Electronics News，原文参考链接：GaN for Electric Vehicles。由赵明灿编译。）
本文为《电子技术设计》2021年10月刊杂志文章，版权所有，禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里。
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