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高压GaN元件正往电动车变频器市场前进，给SiC带来压力
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发布时间：
2023.3.30
记者署名：
茋郁
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20年来，Si IGBT在中高功率元件领域占据主导地位，包括在电动车功率电子领域，但现今正在让位于新一代宽能隙（WBG）材料：SiC和GaN。这将从根本上影响封装材料在内的新型功率元件的设计，因为在更高温度下工作的环境下，更小、更高功率密度的模组将出现。
在电动车功率电子中，SiC正成为首选材料，而GaN通常被包装用于电信或光电子应用。在某种程度上，这是因为SiC具有最大的导热性，这自然适合电动车典型的高温、功率和电压操作。然而，GaN仍然可以实现比硅的还要高两倍导热率，并且几乎在其他指标上（从电子迁移率和效率到击穿电压）也都优于SiC。
问题在于GaN的实际操作比其理论极限低了两个数量级。GaN的商业化目前也受到其低功率/低电压操作的限制，这是技术不成熟的结果，未来其在电动车中的采用快慢将取决于何时能够获得改善。此外，散装GaN的成本也令人望之却步，但随着第一批600V GaN变频器的出现，GaN-on-Si将开始被采用。
阻碍GaN元件进入EV市场的关键是材料的生产品质，这取决于磊晶基板是GaN、SiC或是Si。由于材料退化的主要来源是磊晶成长和基材之间的不匹配，因此理想的情况是同质磊晶或GaN块材（GaN-on-GaN）。
GaN块材为 94kV，SiC为45kV。而目前量产的GaN-on-Si，由于失配性的问题，约为1kV，与硅块材相当。从实际元件的阻断电压来看，证明了硅基板对性能的冲击效应。
与新兴技术的情况一样，GaN-on-GaN的采用受到高成本的限制。GaN块材仅适用于小晶圆尺寸，其成本是GaN的1000倍左右。下一个最佳选择是 GaN-on-SiC，因为其失配性较低，但同样具有大约两个数量级的成本。因此，要将GaN用于高压应用，例如：EV变频器，需要改善GaN-on-Si之间的失配性或实现GaN块材的低成本生产。 在此之前，SiC仍将是高压WBG应用的主要选择。
然而，机会正在出现，IDTechEx预测车载充电器和DC-to-DC转换器将成为第一个GaN市场切入点。这是因为车载充电器和转换器以更低的功率运行，而 WBG材料的效率优势明显推动了更快的交流充电或低压电池的内部充电。
此外，随着新的合作伙伴关系的形成，高压GaN在2022年取得了令人振奋的进展。 总部位于以色列的VisIC Technologies与Hofer Powertrain合作，将在800V EV 变频器设计中使用VisIC的650V GaN芯片。这将是GaN 技术应用于高压变频器的首批案例之一。鉴于汽车采用周期通常约为四年，电动车市场采用高压GaN 的大门正在打开，将为该产业带来巨大的新成长机会。
心得/评论：
这几年产业对于碳化硅（SiC）的追求，起源于特斯拉在其电动车中采用SiC芯片所致，然而特斯拉在2023年投资者日表示将大幅减少其下一代汽车动力系统中使用SiC电晶体的使用。IDTechEx则预测GaN市场切入点为车载充电器和DC-to-DC转换器。