近來，充電更快、體積更小、更安全的氮化鎵(GaN)手機(jī)充電器橫空出世并悄然走紅，直播一姐薇婭的帶貨也讓不少消費(fèi)者了解到了這一新技術(shù)。
據(jù)了解，氮化鎵在通信、工業(yè)、電子領(lǐng)域大有用武之地。新能源汽車時(shí)代滾滾而來，半導(dǎo)體器件的市場需求將持續(xù)增長，氮化鎵將在汽車電氣化應(yīng)用中發(fā)揮關(guān)鍵作用。
與SiC性能類似 但另有優(yōu)勢
來自IHS公司的數(shù)據(jù)顯示，預(yù)計(jì)在2021～2027年間，氮化鎵功率器件市場復(fù)合增速高達(dá)30%，到2027年產(chǎn)值預(yù)計(jì)超過10億美元，未來發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>
德州儀器(TI)車用氮化鎵高壓電源部門產(chǎn)品營銷工程師Alex Zahabizadeh接受《中國汽車報(bào)》記者采訪時(shí)介紹稱，氮化鎵是一種相對(duì)較新的寬帶隙半導(dǎo)體材料，具有更好的開關(guān)性能;特別是與現(xiàn)有的硅器件相比，具有更低的輸入和輸出電容以及零反向恢復(fù)電荷，可顯著降低功耗。“較低的柵極電容，可在提高開關(guān)頻率的同時(shí)，降低柵極驅(qū)動(dòng)損耗;較低的輸出電容，允許設(shè)計(jì)人員在不增加相應(yīng)開關(guān)損耗的情況下實(shí)現(xiàn)更高的開關(guān)頻率。與應(yīng)用傳統(tǒng)硅基充電技術(shù)的汽車系統(tǒng)相比，氮化鎵器件的應(yīng)用允許設(shè)計(jì)人員開發(fā)散熱負(fù)擔(dān)更小、功率密度提高2～5倍并將峰值效率從95%提高到98%的系統(tǒng)。”他回復(fù)道。
據(jù)悉，正在蓬勃發(fā)展的碳化硅(SiC)是另一種寬帶隙半導(dǎo)體，其進(jìn)入市場的時(shí)間略長，相比目前可用的氮化鎵解決方案，支持更廣泛的電壓和導(dǎo)通電阻。不過，有研究顯示，在將氮化鎵器件與某些類似的碳化硅器件進(jìn)行直接比較時(shí)，前者的開關(guān)損耗降低約25%，并支持更高的工作頻率。
羅姆半導(dǎo)體(上海)有限公司技術(shù)中心總經(jīng)理水原德健也認(rèn)為，氮化鎵器件作為高頻工作出色的器件，在中等耐壓范圍的應(yīng)用中備受期待。特別是與碳化硅相比，其在基站和數(shù)據(jù)中心等領(lǐng)域中，作為有助于降低各種開關(guān)電源的功耗并實(shí)現(xiàn)小型化的器件被寄予厚望。
汽車是最具前途的應(yīng)用領(lǐng)域之一
汽車被認(rèn)為是氮化鎵最有前途的應(yīng)用領(lǐng)域之一。在2019東京車展上，豐田汽車曾展出一款與他方共同研發(fā)的all-GaN概念車。據(jù)介紹，該款車配裝使用氮化鎵元器件的高效逆變器，能使二氧化碳減排至少20%。
隨著電動(dòng)化、智能化的發(fā)展，今天的汽車比以往任何時(shí)候都集成了更多的電力系統(tǒng)。隨著這一需求的出現(xiàn)，電氣工程師需要?jiǎng)?chuàng)新技術(shù)與成本上都可行的新設(shè)計(jì)——重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、耐久性強(qiáng)的系統(tǒng)，這樣汽車的性能才不會(huì)受到影響。為此，一些車企的解決方案轉(zhuǎn)向氮化鎵場效應(yīng)晶體管(GaN FET)。
據(jù)介紹，氮化鎵將在新能源汽車領(lǐng)域開啟新天地，主要有三種應(yīng)用：車載充電器，用于給高壓電池充電;DC/DC轉(zhuǎn)換器，將來自高壓電池的電力轉(zhuǎn)換給汽車上其他電子設(shè)備;牽引驅(qū)動(dòng)或電機(jī)控制，可以用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)。
Alex Zahabizadeh進(jìn)一步解釋道，工程師可以利用氮化鎵使混合動(dòng)力和電動(dòng)汽車達(dá)到現(xiàn)有解決方案兩倍的功率密度，使得充電速度更快，運(yùn)行更穩(wěn)定可靠并且車載充電系統(tǒng)效率更高。氮化鎵較低的開關(guān)損耗可以提高效率，從而減輕車載散熱系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)并增加電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程。
此外，氮化鎵場效應(yīng)晶體管更高的工作頻率，還可將功率磁性器件的尺寸減小約60%，從而降低系統(tǒng)成本并提高整體功率密度。基于氮化鎵在600～650V額定設(shè)備上更加優(yōu)良的開關(guān)性能，其最直接的應(yīng)用將是汽車高壓DC/DC轉(zhuǎn)換器和車載AC/DC充電器。
2023年有望配裝量產(chǎn)車
雖然預(yù)測未來總是困難的，但Alex Zahabizadeh表示，相信在今后10～20年，氮化鎵將會(huì)得到更廣泛的應(yīng)用。現(xiàn)階段，氮化鎵設(shè)備多用于USB充電器。下一步，這些充電器不僅會(huì)被投放到零部件市場進(jìn)行銷售，而且會(huì)成為未來平板電腦和筆記本電腦充電器的標(biāo)配。
據(jù)悉，使用氮化鎵的服務(wù)器、計(jì)算機(jī)和工業(yè)電源已投入使用，預(yù)計(jì)到2022年和2023年將取得更廣泛的商業(yè)應(yīng)用。而氮化鎵在機(jī)器人和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器等其他工業(yè)市場也會(huì)同期被更廣泛地投入商業(yè)市場之中。
在汽車領(lǐng)域，車企正在嘗試將氮化鎵用于未來的車載充電器和高壓直流轉(zhuǎn)換器中，預(yù)計(jì)量產(chǎn)車最快將在2023年有可能搭載氮化鎵元器件。如果車企的判斷準(zhǔn)確，那么2024～2026年，更經(jīng)濟(jì)實(shí)用的電動(dòng)汽車數(shù)量的增加將帶動(dòng)氮化鎵元器件獲得更廣泛的應(yīng)用。
水原德健告訴記者，當(dāng)提高頻率來實(shí)現(xiàn)電源小型化的市場需求不斷增長，氮化鎵元器件就會(huì)上量。
實(shí)現(xiàn)車規(guī)級(jí)仍是主要挑戰(zhàn)
一些半導(dǎo)體制造商已開始開發(fā)氮化鎵產(chǎn)品，但問題也凸顯出來，如果要進(jìn)一步普及，必須從用戶的角度來思考問題。
Alex Zahabizadeh指出，所有的電子產(chǎn)品都需要電源管理，因此采用尺寸更小、效率更高的電源電子器件將成為關(guān)鍵一環(huán)，也會(huì)是汽車、消費(fèi)電子和工業(yè)設(shè)備的發(fā)展趨勢之一。氮化鎵技術(shù)可以降低20%～60%的功率損耗，使整個(gè)系統(tǒng)更加高效，在市場上將擁有很強(qiáng)的競爭力。
氮化鎵處于眾多行業(yè)趨勢的交匯點(diǎn)，而目前的主要挑戰(zhàn)是如何將能夠發(fā)揮出該技術(shù)潛力優(yōu)秀的產(chǎn)品推向市場。據(jù)了解，首先，德州儀器目前正將氮化鎵從一種研究技術(shù)轉(zhuǎn)化為一種真正的產(chǎn)品，并與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化組織合作，開發(fā)測試氮化鎵的可靠性方法，用來檢測其特有的故障機(jī)制，以便客戶可以安心地使用該項(xiàng)技術(shù)。
“終極挑戰(zhàn)則是為每個(gè)不同的市場和終端，提供氮化鎵解決方案。相比其他市場，汽車市場一直是獨(dú)一無二的。正是汽車行業(yè)嚴(yán)格的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，促使我們設(shè)計(jì)了更安全、更可靠的集成自我保護(hù)功能，如溫度監(jiān)測、過流保護(hù)、短路保護(hù)等。”Alex Zahabizadeh說。
聞泰科技650VGaN技術(shù)通過車規(guī)級(jí)測試
聞泰科技全資子公司安世半導(dǎo)體推出了GaN FET，目標(biāo)市場包括汽車、數(shù)據(jù)中心、電信設(shè)備、工業(yè)自動(dòng)化和高端電源等領(lǐng)域。特別是在插電式混合動(dòng)力汽車或電動(dòng)汽車上，氮化鎵技術(shù)是逆變器的首選技術(shù)。目前，安世半導(dǎo)體650V GaN技術(shù)已通過車規(guī)級(jí)測試，2021年開始交付汽車客戶。
蔚來汽車推出GaN手機(jī)充電器
今年6月，蔚來汽車與閃極科技聯(lián)名打造90W氮化鎵(GaN)快充的消息引人關(guān)注。此前，蔚來在其官方商城上架了一款售價(jià)239元的氮化鎵充電器，但不是給汽車充電，而是給數(shù)碼產(chǎn)品充電。作為新能源汽車企業(yè)，蔚來與手機(jī)廠商分一杯羹令人有些意外。
德州儀器推出具集成驅(qū)動(dòng)器的GaN FET
2020年，德州儀器(TI)推出了業(yè)界首款具有集成驅(qū)動(dòng)器的650V車用GaN FET產(chǎn)品。它針對(duì)400V和800V電池系統(tǒng)的3.3～22kW車載充電應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化。
據(jù)介紹，德州儀器一直在與客戶合作開發(fā)產(chǎn)品功率密度大于4 kW/L的設(shè)計(jì)，這幾乎是現(xiàn)有金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)和絕緣柵雙極晶體管(IGBT)解決方案的兩倍，使得汽車系統(tǒng)可在相同體積下使用更高額定值的車載充電器，從而顯著減少充電時(shí)間。
羅姆即將提供GaN HEMT產(chǎn)品樣品
今年，羅姆面向以工業(yè)設(shè)備和通信設(shè)備為首的各種電源電路，開發(fā)出針對(duì)150V氮化鎵耐壓高電子遷移率晶體管(GaN HEMT)的8V柵極耐壓(柵極-源極間額定電壓)技術(shù)。據(jù)介紹，與硅器件相比，其開關(guān)損耗降低了約65%。羅姆GaN HEMT產(chǎn)品預(yù)計(jì)2021年9月開始提供產(chǎn)品樣品。
