GaN应用优势突出 渐成车载DC-DC转换器等首选方案

GaN应用优势突出 渐成车载DC-DC转换器等首选方案

　　随着全球新能源汽车市场的广泛铺开，功率如今也成为各大整车OEM及用户所关注的热点之一，如何有效地管理和使用电源功率已成为当下新能源类产品在全球汽车市场实现规模化普及的关键挑战。作为第三代功率半导体领域的重要成员，GaN凭借其高速开关能力、精简的外围电路以及更低功率损耗等多项优势，在12V甚至未来48V的汽车电池DC-DC转换器以及OBC等应用上将大有用武之地。而目前，一些主要的生产商如Transphorm已经获得了汽车的相关资质，同时也有越来越多的国际半导体大厂如英飞凌、TI等也都开始跟进，GaN功率半导体在车载市场正快速起步。

GaN应用优势突出 渐成车载DC-DC转换器等首选方案

　　作为目前市场热度最高的两大功率半导体材料，SiC和GaN受益于自身所具备的高速开关、宽禁带以及高功率密度等优异特性，在工业、移动、家电以及汽车等诸多应用场景都备受热捧。尤其是新能源汽车领域，据主流机构预测2018年以后两大功率半导体市场的CAGR(年复合增长率)会达到甚至超过35%，2027年整个市场有望突破100亿美元。虽然就目前来看，新能源汽车功率器件领域仍然以传统Si器件和SiC应用居多，但业内预估未来几年硅基GaN(GaN-on-Si)成本会快速下降，量产制备门槛也会逐步降低，GaN器件有望在2020年之后成为车载逆变器及DC-DC转换器等应用的首选方案。

      ROHM半导体(北京)有限公司设计中心所长水原德健在接受本刊采访时表示：“GaN是用于新一代功率元器件的半导体材料，其物理性能优异，尤其是高频特性使其在低耐压领域的应用也日益广泛。例如，将GaN功率器件搭载于车载DC-DC转换器或逆变器等电源装置时，能够大幅提高车载DC-DC转换器的功率转换效率且能够实现装置的小型化等，未来有望得到进一步普及。”

　　据编者了解，相比硅器件而言，氮化镓的电荷比硅低10倍(Qoss, Qg, Qrr)，且具备更高的工作频率和效率，同等功率输出下设计可以更小巧且精简，而同等体积下也能做到更大、更高的功率密度以及更低的系统设计成本等诸多优势，这些都能够在汽车48V的DC-DC转换器领域创造很多的实用价值。

　　不过，英飞凌科技奥地利股份有限公司电源管理与多元化事业部资深市场营销经理邓巍博士却认为：“由于汽车领域不管是从可靠性还是其他方面的要求都是比较高的，甚至比工业领域的级别要求还要更高。因此，GaN器件还需要等到整体系统成本能够有所缩减以及可靠性真正达到一定证明的时候，才能在汽车DC-DC转换器领域充分发挥作用。作为汽车半导体领域的领导者，英飞凌目前市场占有率排在第二位，我们也已经在该领域投入GaN技术，2019年我们会慢慢发布GaN在汽车领域的路线图，相信能为48V车载DC-DC转换器及更多应用带来更强大的解决方案。”

　　由此可见，成本和可靠性是当前GaN功率器件向车载DC-DC转换器市场渗透的两大主要障碍。业内某资深IC设计工程师也告诉记者：“一方面是由于GaN和Si之间晶格的不匹配，使得二者之间存在热膨胀系数和晶格系数相差较大的问题，在结构上需要做缓冲层(例如AIN/AIGaN)，这些缓冲层非常重要，因为需要进行调谐以帮助最小化电荷阱。而且，受当前的架构限制，GaN设备大多为常开型设计，这些结构和架构上的问题也使得GaN目前在可靠性方面做的还不够好，从而影响汽车DC-DC转换器这类高安全、高可靠要求市场的整体接受度。”另一方面，虽然GaN这类宽禁带器件的性能优势毋庸置疑，但这种功率半导体器件目前如何能解决成本问题，并实现量产普及导入汽车市场还是一个待解的难题。

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