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GaN在电动汽车应用中会取得SiC一样的成功吗?

2021-11-26 15:48:15 Ahmed Ben Slimane、Ezgi Dogmus和Poshun Chiu,Yole Dév 阅读:
SiC和GaN最终将如何发展?SiC功率器件制造商们预计电动汽车市场会达到数十亿美元。GaN会获得同样的成功吗?OEM厂商在动力总成系统逆变器中广泛采用GaN,将从根本上影响市场预测结果。

在过去的几十年里,碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)技术不断进步,行业对SiC和GaN的接受度越来越高,其营收可能达到十亿美元。英飞凌于2001年推出了一款肖特基二极管,这是业界第一款商用SiC器件,从而开启了SiC器件快速发展的时代。预计到2026年,这一工业领域的营收将超过40亿美元。图1是按应用领域对功率SiC器件市场进行的预测。wFiednc

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图1:按应用领域对SiC功率器件市场的预测。(图片来源:Yole Développement)wFiednc

2010年,美国EPC发布了超快速开关晶体管,GaN的表现令业界惊叹。目前GaN的市场采用率尚未达到SiC的水平,但到2026年,功率GaN收入可能达到10亿美元。wFiednc

这两种技术未来要在市场上取得成功,关键在于电动汽车(EV)和混合动力汽车(HEV)。EV/HEV确实是SiC的最佳应用市场——在超过25亿美元的市场中,至少有60%来自EV/HEV市场。wFiednc

SiC获车厂青睐

特斯拉于2017年在其Model 3中使用SiC MOSFET,成为第一家使用SiC功率器件的汽车制造商,从此开启了SiC功率器件市场的大门。特斯拉使用的SiC MOSFET来自意法半导体,与内部的主逆变器集成在一起。此后,其他汽车制造商也迅速跟进,包括现代、比亚迪、蔚来、通用汽车等。wFiednc

中国的吉利汽车最近宣布,日本罗姆公司将为其电动汽车提供基于SiC的牵引逆变器。中国蔚来也将在其车辆中采用基于SiC的电力驱动系统。与此同时,汽车与半导体制造商比亚迪也一直在为其电动汽车生产线开发SiC模块。wFiednc

中国电动客车制造商宇通去年透露将在客车动力总成系统中使用StarPower China制造的SiC功率模块,这些模块使用Wolfspeed的SiC器件。wFiednc

现代汽车将在其电动汽车中采用英飞凌用于800V电池平台的SiC功率模块,日本丰田也将在其采用氢燃料电池的Mirai电动汽车中使用Denso的SiC升压功率模块。通用汽车也与Wolfspeed签约为其电动汽车电力电子设备提供SiC。wFiednc

欧洲汽车制造商虽然接受SiC的速度较慢,但也在慢慢改变。6月,雷诺和意法半导体联手开发了用于电动汽车和混合动力汽车的SiC和GaN器件。估计戴姆勒、奥迪和大众很快就会发布更多相关新闻。wFiednc

汽车OEM也更愿意从多个来源购买晶圆和器件,以确保可靠供应,这对于Wolfspeed、英飞凌、意法半导体、罗姆和安森美等厂商来说也都有好处。目前中国和其他国家都在向SiC供应链注入巨额资金,销量未来还会继续攀升。wFiednc

在此过程中,棘手的成本问题也逐渐得到解决。在元器件级别,Si IGBT比SiC IGBT便宜得多,因而不会很快从电源应用中消失。但是,一级制造商和OEM们表示,在逆变器设计中采用大功率密度SiC,需要的元器件减少了,节省了空间和重量,从而降低了系统级成本。wFiednc

GaN刚刚起步

GaN这种宽禁带(WBG)半导体在电动汽车领域尚未取得SiC那样的成功。但由于GaN具备高频率和高效率,OEM对这项技术兴趣浓厚,因而密切关注其发展,一些甚至已经开始进行开发。wFiednc

GaN功率器件已经出现在高端小体积光伏逆变器中,并越来越多地应用于包括智能手机在内的一系列移动设备的快充中。事实上,爱尔兰的Navitas、美国的Power Integrations和中国的Innoscience都在为新兴的快充市场制造GaN功率IC。wFiednc

预计2021年GaN功率器件收入将达到1亿美元左右,而随着GaN器件供应商拓展其他市场以提高产量,预计到2026年这一数字将激增至10亿美元。EV/HEV市场是它们的首要目标。图2显示了按应用领域对功率GaN器件市场进行的预测。wFiednc

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图2:按应用领域对GaN功率器件市场的预测。(图片来源:Yole Développement)wFiednc

GaN在电动汽车中的应用还处于早期。许多GaN功率器件厂商已经开发了650V GaN器件并通过了自动认证,用于车载充电器和EV/HEV中的DC/DC转换,并与众多汽车制造厂建立了合作伙伴关系。wFiednc

例如,加拿大的GaN Systems为美国电动汽车初创公司Canoo提供用于车充的器件,还与加拿大电动汽车电机驱动供应商FTEX合作,将650V GaN功率器件集成到电动滑板车系统中。与此同时,总部位于加州的Transphorm与汽车供应商Marelli合作,提供车载充电和DC/DC转换器件。wFiednc

意法半导体预计将向雷诺电动汽车提供其尚未通过汽车认证的器件。EPC的产品包括符合汽车标准的低压GaN器件,该公司目前与总部位于法国的Brightloop合作,开发价格适中的非公路和商用车电源转换器。去年,德州仪器(TI)认证了用于汽车的650V GaN器件。wFiednc

GaN能否取得SiC一样的成功?

在车载充电器和DC/DC市场的强劲发展势头下,对GaN而言,10亿美元的问题实际上是:这种技术是否会用于电动汽车动力总成系统的主逆变器,并达到与SiC器件同样惊人的产量?wFiednc

从早期行业发展的情况来看,这是可能的。wFiednc

2020年2月,荷兰Nexperia公司与英国工程咨询公司Ricardo合作开发基于GaN的电动汽车逆变器。随后,以色列的VisIC Technologies公司与德国汽车供应商ZF合作,为400V动力总成系统开发GaN器件。wFiednc

然后,在9月份,GaN Systems与宝马签署了一项价值1亿美元的协议,为宝马电动汽车提供GaN功率器件,这力证了OEM对GaN的重视。wFiednc

还有一个非常重要的事件,就是纳微半导体将与特殊目的收购公司Live Oak Acquisition合并,成为一家市值10.4亿美元的上市公司。这家GaN电源IC厂商最近宣布将向总部位于瑞士的Brusa HyPower提供用于车充和DC/DC转换器的器件。合并后的公司将大力支持电动汽车/混合动力汽车和其他市场的产品开发。wFiednc

除了这些交易、合作和合并之外,从GaN模块的早期发展也可以看出这种器件正追随SiC的发展足迹,各厂商也在为更广泛的行业合作做准备。例如,GaN Systems将为设计工程师提供电源评估模块套件,而Transphorm一直在与富士通合作开发面向工业和汽车应用的GaN模块。wFiednc

GaN应用

在上一届Nexperia Power活动中,许多业界领导者讨论了与GaN技术相关的不同话题。GaN在许多应用中似乎比硅更具优势。显然,除了汽车,还有许多市场应用,包括消费、和航天工业中的电源转换器,都受益于GaN。wFiednc

这一GaN主题的圆桌会议上聚集了数名行业领导者,包括Kubos Semiconductor首席执行官Caroline O’Brien、Ricardo总工程师Temoc Rodriguez、Hexagem首席执行官Mikael Björk、Nexperia战略营销总监Dilder Chowdhury以及Nexperia GaN应用总监Jim Honea。Chowdhury致力于大功率GaN的研究,Honea则是高电压应用的电路设计师。wFiednc

Kubos Semiconductor正在开发一种称为立方GaN的新材料(图3)。“这是GaN的立方体形式,我们不仅可以在150mm及以上的大尺寸晶圆上生产立方GaN,还有可能将其扩展到更大的晶圆尺寸,并可以无缝使用现有的生产线。”O'Brien说。wFiednc

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图3:立方GaN。(图片来源:Kubos Semiconductor)wFiednc

Ricardo专注于WBG半导体的研究,并利用SiC和GaN扩展其电气化计划。Rodriguez指出,特斯拉是第一个采用SiC IGBT的公司,其他许多公司也开始采用包括GaN在内的WBG解决方案,以提高效率并减小电源转换器的尺寸和重量。wFiednc

Björk提到Hexagem正在开发高质量的硅基GaN,以降低应用成本并获得规模优势。“我们将满足更高的额定电压要求。”Björk表示。wFiednc

随着对降低二氧化碳排放的需求越来越迫切以及相关法规的出台,从汽车到电信等行业都开始追求更高效的电力转换和更大程度的电气化。传统的硅基功率半导体技术,如绝缘栅双极型晶体管(IGBT),其工作频率和速度都有一定的局限性,高温和小电流性能也较差,高压Si FET的频率和高温性能同样受到限制。因此,WBG半导体越来越多地出现在许多应用中。wFiednc

“由于在设计中占用更小的空间,同时具有更高的效率,我认为GaN可以在从前受限的一些应用(例如小型基站)中大展拳脚,”O'Brien说,“这为外型较小的系统设计带来了真正的机会。”wFiednc

正如Rodriguez所指出的,开关频率响应是其关键特性。它为DC/DC转换器提供了高达5~10kW的有趣应用。“这种DC/DC转换器可以用在电信和能源领域,也可以用于消费电子产品,”他说,“很多应用都利用DC/DC转换器来提高效率并节省能源。”wFiednc

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图4:汽车市场中的GaN。(图片来源:Ricardo)wFiednc

Rodriguez描述了GaN在汽车领域的主要应用,如图4所示,“图的左边部分显示了车载充电器和DC/DC转换器。目前的车载充电器可以达到3.3kW,也许是7kW,未来可能达到11kW或22kW,关键在于GaN。由于可用功率受到限制,这促使电路设计人员开始研究并联器件。我们是从DC/DC转换器开始的。“wFiednc

“我们很容易想到第一个应用是400V到12V的DC/DC转换器,”他继续说,“这种DC/DC转换器可以从高压电池获取电力,然后为12V电池充电并保持电池电量充足。下一个等级是将功率增加到5kW。当汽车行业采用了800V电池系统,我们将面临的真正挑战是应该做什么。”wFiednc

Björk强调了晶圆的重要性,他表示会重视越来越高的电源要求,同时优化GaN器件的生产,尽可能降低成本。“现在市场上主要是150mm晶圆,但是以后可以扩大到200mm晶圆,谁知道呢?说不定未来还可能尝试300mm晶圆。”他说。wFiednc

硅基GaN是应用最广泛的一种技术,但其发展却并不为各方看好。Björk表示,硅基GaN面临着自身的挑战,而且由于存在两大主要问题,硅基GaN的生长并不容易。wFiednc

“GaN和Si的晶格常数相差很大,所以它们不匹配,”他说,“因此,必须先生长不同的堆栈层,然后才能将GaN置于Si上,这是一种相当先进的技术,制造中可能会产生许多缺陷和错位,造成损坏或过早破裂。还有一个问题,就是GaN和Si的热膨胀不匹配,当温度上升到1,000 ℃左右再冷却,这两种材料会以不同的速度收缩,最终造成结构的损坏。”wFiednc

图5所示为Hexagem在极薄的100nm硅晶圆上开发的新技术。Björk表示,通过对表面进行建模,可以生长出无缺陷的GaN柱。“我们已经开发出将这些GaN柱融合成平面层的方法,”他说,“目前正在其他半导体上开发这种工艺。”wFiednc

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图5:Hexagem硅基GaN的结合过程。(图片来源:Hexagem)wFiednc

Honea强调了汽车工业的重要性。车载充电器、DC/DC转换器、牵引逆变器和辅助逆变器都是在电气化中应用GaN的大好机会,“电动汽车大型电池的开发开创了许多从前无法想像的应用。”Honea说。wFiednc

Chowdhury说,存储电荷Qrr较低或几乎没有Qrr,有助于降低滤波器的设计复杂性,并大大提高开关性能。如果对栅极驱动电路理解透彻,使用GaN功率晶体管就变得很容易。合适的去耦缓冲电路有助于轻松并联功率GaN FET。最大的难题是处理高电压和高开关频率,许多工程师以前可能从未使用硅技术处理过这些问题。wFiednc

GaN功率半导体作为下一代高性能电动汽车的关键元器件,有助于减小尺寸和重量,同时提高效率,因而越来越受到关注。与基于硅的系统相比,工程师使用GaN创建的电力电子系统外形减小了4倍、重量更轻、能量损失也减少了4倍。零反向恢复可减少电池充电器和牵引逆变器中的开关损耗,同时具有频率更高和开关速率更快的优点。此外,由于开关导通损耗和关断损耗降低了,电容器、电感器和变压器的重量和体积也会相应减小,适合电动汽车充电器和逆变器等应用。wFiednc

电源转换器设计人员一直在寻找提高效率和功率密度的方法,WBG技术提供了可行的解决方案。设计人员可以采用GaN晶体管来达到其目的,但与硅晶体管一样,单个GaN晶体管的电流处理能力仍然有限。并联此类器件是一种常见方法。“GaN的一个有趣之处在于我们可以扩展其功率大小,”Honea说,“通过并联GaN晶体管,我们可以扩展功率。然而,将它们并联之后共振会大幅增加,因此必须确保不会激发和放大它们。”wFiednc

设计

Rodriguez表示,Ricardo多年来一直利用SiC开发牵引逆变器解决方案。Ricardo测试了GaN在这一领域的应用,图6是将GaN和SiC分别用于同样的30kW牵引逆变器中。“从仿真可以看出峰值的不同,”Rodriguez说,“这里最引人注目的是损耗分布饼图,这很有趣,因为它表明使用SiC设计转换器可以让开关损耗和传导损耗大致相等。在图6中,开关损耗占了大部分,为63%,其余为传导损耗。但在GaN逆变器中,情况又不同。换句话说,开关损耗几乎被消除了,最终多个元件(如总线偏置和PCB)会产生大量的传导损耗。wFiednc

“现在,你当然可以并联器件,这会使成本增加,但是将减少传导损耗,而不会对开关损耗产生太大影响。”他补充道,“用SiC就不能做到这一点,因为有开关损耗,而并联器件将使情况变得更糟。因为这是GaN的一个关键特性,也是我认为GaN会在不久的将来成为主导技术的原因。”wFiednc

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图6:GaN与SiC分别用于30kW牵引逆变器。(图片来源:Ricardo)wFiednc

使用GaN可以显著降低开关损耗。通过使用GaN技术来提高开关的导通速度,可以最大限度减少在开关导通过程中发生的损耗。通过提高开关频率,许多大元器件(例如变压器、电感器和输出电容器)的外形尺寸都可以缩小。与Si相比,GaN具有更高的热导率并且可以承受更高的温度。使用GaN和SiC以后,对热管理器件(例如庞大的散热器和冷却装置)的需求将减少,从而显著减少电源尺寸和重量。wFiednc

供应链

能够同时设计产品和供应链将成为制造公司在市场竞争中致胜的关键。“硅基GaN是在硅衬底上生长的,这是它最大的一个优势,现在是150mm,正努力扩大达200mm,目前大多数反应器都可以容纳这两种尺寸。”Chowdhury说,“因此,增加反应器的数量实际上可以增加晶圆厂供应的初始材料。世界各地有许多硅晶圆厂,增加现有硅晶圆厂的产能要容易得多。对于芯片级或封装级后端,我们拥有垂直的组织架构,在远东和其他多个地方可以自己封装,所以我们能进行批量生产,尤其是封装器件。另外,我们也投入了很多来增加裸片产能以满足需求。”wFiednc

O’Brien认为,无论是垂直整合的供应链、纯代工厂还是复合半导体,半导体行业都必须严阵以待。几乎所有行业对元器件的需求都在增加,尤其是汽车、智能手机、医疗和工业领域,这些行业需要越来越多的成品元器件。如果竞争环境突然变化,供应链和分销链的压力就会增加,导致物流和交货时间出现问题,关键供应商关门或停工而将引起发展放缓。wFiednc

结语

SiC和GaN最终将如何发展?SiC功率器件制造商们预计电动汽车市场会达到数十亿美元,GaN会获得同样的成功吗?OEM在动力总成系统逆变器中广泛采用GaN,将从根本上影响市场预测结果。眼下我们只能拭目以待。wFiednc

(原文刊登于EDN姐妹网站EETimes美国版和Power Electronics News,参考链接:SiC and GaN: A Tale of Two SemiconductorsGaN Emerges for Next-Gen Power Electronics,由Franklin Zhao编译。)wFiednc

本文为《电子技术设计》2021年12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wFiednc

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