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GaN應用優勢突出 漸成車載DC-DC轉換器等首選方案
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隨著全球新能源汽車市場的廣泛鋪開,功率如今也成為各大整車OEM及用戶所關注的熱點之一,如何有效地管理和使用電源功率已成為當下新能源類產品在全球汽車市場實現規模化普及的關鍵挑戰。作為第三代功率半導體領域的重要成員,GaN憑藉其高速開關能力、精簡的週邊電路以及更低功率損耗等多項優勢,在12V甚至未來48V的汽車電池DC-DC轉換器以及OBC等應用上將大有用武之地。而目前,一些主要的生產商如Transphorm已經獲得了汽車的相關資質,同時也有越來越多的國際半導體大廠如英飛淩、TI等也都開始跟進,GaN功率半導體在車載市場正快速起步。
GaN應用優勢突出 漸成車載DC-DC轉換器等首選方案
作為目前市場熱度最高的兩大功率半導體材料,SiC和GaN受益於自身所具備的高速開關、寬禁帶以及高功率密度等優異特性,在工業、移動、家電以及汽車等諸多應用場景都備受熱捧。尤其是新能源汽車領域,據主流機構預測2018年以後兩大功率半導體市場的CAGR(年複合增長率)會達到甚至超過35%,2027年整個市場有望突破100億美元。雖然就目前來看,新能源汽車功率器件領域仍然以傳統Si器件和SiC應用居多,但業內預估未來幾年矽基GaN(GaN-on-Si)成本會快速下降,量產製備門檻也會逐步降低,GaN器件有望在2020年之後成為車載逆變器及DC-DC轉換器等應用的首選方案。
ROHM半導體(北京)有限公司設計中心所長水原德健在接受本刊採訪時表示:“GaN是用於新一代功率元器件的半導體材料,其物理性能優異,尤其是高頻特性使其在低耐壓領域的應用也日益廣泛。例如,將GaN功率器件搭載於車載DC-DC轉換器或逆變器等電源裝置時,能夠大幅提高車載DC-DC轉換器的功率轉換效率且能夠實現裝置的小型化等,未來有望得到進一步普及。”
據編者瞭解,相比矽器件而言,氮化鎵的電荷比矽低10倍(Qoss, Qg, Qrr),且具備更高的工作頻率和效率,同等功率輸出下設計可以更小巧且精簡,而同等體積下也能做到更大、更高的功率密度以及更低的系統設計成本等諸多優勢,這些都能夠在汽車48V的DC-DC轉換器領域創造很多的實用價值。
不過,英飛淩科技奧地利股份有限公司電源管理與多元化事業部資深市場行銷經理鄧巍博士卻認為:“由於汽車領域不管是從可靠性還是其他方面的要求都是比較高的,甚至比工業領域的級別要求還要更高。因此,GaN器件還需要等到整體系統成本能夠有所縮減以及可靠性真正達到一定證明的時候,才能在汽車DC-DC轉換器領域充分發揮作用。作為汽車半導體領域的領導者,英飛淩目前市場佔有率排在第二位,我們也已經在該領域投入GaN技術,2019年我們會慢慢發佈GaN在汽車領域的路線圖,相信能為48V車載DC-DC轉換器及更多應用帶來更強大的解決方案。”
由此可見,成本和可靠性是當前GaN功率器件向車載DC-DC轉換器市場滲透的兩大主要障礙。業內某資深IC設計工程師也告訴記者:“一方面是由於GaN和Si之間晶格的不匹配,使得二者之間存在熱膨脹係數和晶格係數相差較大的問題,在結構上需要做緩衝層(例如AIN/AIGaN),這些緩衝層非常重要,因為需要進行調諧以説明最小化電荷阱。而且,受當前的架構限制,GaN設備大多為常開型設計,這些結構和架構上的問題也使得GaN目前在可靠性方面做的還不夠好,從而影響汽車DC-DC轉換器這類高安全、高可靠要求市場的整體接受度。”另一方面,雖然GaN這類寬禁帶器件的性能優勢毋庸置疑,但這種功率半導體器件目前如何能解決成本問題,並實現量產普及導入汽車市場還是一個待解的難題。

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