瞄准车规市场，氮化镓开启加速“上车”模式

电子发烧友网报道（文/李诚）据阿里巴巴达摩院预测，2021年以氮化镓、碳化硅为代表的第三代半导体将迎来应用的大爆发。据公开资料显示，2020年氮化镓的市场主要应用于光电、射频、电力电子领域。其中，光电领域占氮化镓市场的68%，市场规模约224.7亿元。射频和电力电子领域分别占据氮化镓市场的20%和10%。氮化镓的能量转换效率，远远超过了硅基器件的性能，依目前的市场占比来看，氮化镓在电力电子领域市场渗透率较低，发展空间巨大，尤其是在大功率电源适配器、无线充电等领域。得益于新能源汽车的高速发展，氮化镓应用领域也逐渐向车载充电器、汽车逆变器、激光雷达延伸。
 
氮化镓在汽车领域的优势、现状
 
随着汽车电气化、智能化的发展，电动汽车对高效率、高功率密度的要求也更加严苛。使用氮化镓元器件，能够在减少空间占比的同时，提高功率密度和汽车的续航能力，为用户带来更优的驾驶体验。与碳化硅相比，氮化镓的开关频率更高，由于氮化镓具有较高的电子迁移率，因此关断时间几乎为零，开关损耗相对较小。同时，氮化镓的热处理能力和功率密度较高，使用氮化镓元件能够起到提高功率转换效率、降低电池成本的作用。
 
纳微在业内会议中提到，使用氮化镓的车载充电器与传统的车载供电器相比，充电速度提升60%以上，两个充电器体积相同时，氮化镓车载充电器充电速度能够提升近3倍，且重量显著降低。
 
在汽车领域应用中，为降低车载逆变器体积、提高性能，大多采用氮化镓和碳化硅的功率器件。目前，氮化镓的价格约为硅基器件的3倍左右，碳化硅的价格约为硅基器件的10倍左右。由于氮化镓与碳化硅同样具有高频、低通、低损耗的特性，因此在成本方面氮化镓更具优势。
 
安世半导体车规级650V氮化镓功率器件
 
对于车规级功率器件而言，安世半导体最具发言权，安世半导体在汽车领域打拼多年，有着深厚的技术积累，拥有多条满足严格车规级认证的晶圆产线，且不断增加产线、扩充产能。凭借深厚的技术积累，2019年安世半导体汽车功率MOSFET排名全球第二，仅次于英飞凌。
 

650V GaN FET白皮书 图源：安世半导体

 
2019年安世半导体率先推出了业界领先的氮化镓功率器件。近日，闻泰科技董秘在投资平台回复投资者问题中提到，安世半导体推出行业领先的氮化镓功率器件，应用场景对标电动汽车、数据中心、高端电源等领域等。在回应中还重点强调了氮化镓在新能源汽车牵引逆变器中的应用，并表示电压等级为650V的氮化镓产品现已通过车规级测试。
 

HTRB期间内的导通电阻测量 图源：安世半导体

 
GAN063-650WSA是安世半导体的一款通过车规级测试，电压等级为650V、导通电阻为50mΩ的氮化镓功率器件。为避免实际使用中出现尖峰电压过高，击穿元器件导致电路损坏的问题，安世对导体对此款产品进行了优化，将耐压值提升至800V，同时还具有极低的浪涌电压（1.3V/12A），进一步保护了系统工作的稳定性。可在-55℃至175℃的温度环境下工作，能够很好的适配汽车应用的温度需求，主要应用于汽车电源转换和牵引逆变器。上图为GAN063-650WSA在电压为650V、温度为175℃，极限工作状态下AEC-Q101 Rev D级别的认证测试结果，据检测结果显示，这款氮化镓功率器件动态导通电阻的最大偏移小于15%，远低于AEC-Q101 Rev D级偏移20%的要求。
 

1000小时的效率测试结果 图源：安世半导体

 
上图为GAN063-650WSA连续工作1000个小时的测试结果，从参数可以看出，转换效率接近98%，且1000个小时内，转换效率一直保持稳定状态，满足车规级AEC-Q101标准认证的要求。
 
从以上高温、高压以及效率测试结果来看，安世半导体的车规级氮化镓产品工作的稳定性和将近98%转换效率，非常适用于在汽车领域中应用，并提升汽车的能效。据媒体报道，安世半导体现已针对电压等级为900V的氮化镓器件进行开发，且未来还有针对1200V产品的计划，致力于打破氮化镓产品只能在中低压应用的局面。
 
纳微半导体汽车市场布局
 
纳微是全球唯一一家，提供从20瓦到20千瓦完全方案的氮化镓企业。近期，电子发烧友网获悉，纳微半导体将进军汽车领域，拓展氮化镓在汽车领域的应用，今年第四季度，纳微在上海设立了专注于电动汽车相关产品的研发中心，并不断广发“英雄帖”壮大电动车产品的研发团队。
 
据纳微表示，目前已经与汽车厂商展开合作，共同开展OBC和DC/DC产品的研发工作，并将会在汽车领域进行大规模的投入，预计明年一季度开始陆续发布基于氮化镓汽车应用的相关产品，明年第四季度完成车规级产品认证，首个基于纳微产品的车载充电器项目将于2025年实现量产。同时纳微会在11千瓦、6.6千瓦、22千瓦的OBC，以及4千瓦的DC/DC里加入新的想法，实现架构上的突破，充分体现氮化镓在成本、效率、功率密度方面的优势。
 
结语
 
氮化镓驱动着电力电子行业的发展，在OBC应用中，产品体积能减小至原本的20%，充电效率提升至98%，在DC/DC应用中，功率密度也能呈翻倍式的增长，随着技术的发展，氮化镓功率器件的电压等级将会得到提升，未来在汽车领域的发展潜力巨大。