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实现车规级仍是主要挑战 氮化镓“上车”是近还是远?
时间:2021-08-13 16:51:48

近来,充电更快、体积更小、更安全的氮化镓(GaN)手机充电器横空出世并悄然走红,直播一姐薇娅的带货也让不少消费者了解到了这一新技术。

据了解,氮化镓在通信、工业、电子领域大有用武之地。新能源汽车时代滚滚而来,半导体器件的市场需求将持续增长,氮化镓将在汽车电气化应用中发挥关键作用。

与SiC性能类似 但另有优势

来自IHS公司的数据显示,预计在2021~2027年间,氮化镓功率器件市场复合增速高达30%,到2027年产值预计超过10亿美元,未来发展潜力巨大。

德州仪器(TI)车用氮化镓高压电源部门产品营销工程师Alex Zahabizadeh接受《中国汽车报》记者采访时介绍称,氮化镓是一种相对较新的宽带隙半导体材料,具有更好的开关性能;特别是与现有的硅器件相比,具有更低的输入和输出电容以及零反向恢复电荷,可显著降低功耗。“较低的栅极电容,可在提高开关频率的同时,降低栅极驱动损耗;较低的输出电容,允许设计人员在不增加相应开关损耗的情况下实现更高的开关频率。与应用传统硅基充电技术的汽车系统相比,氮化镓器件的应用允许设计人员开发散热负担更小、功率密度提高2~5倍并将峰值效率从95%提高到98%的系统。”他回复道。

据悉,正在蓬勃发展的碳化硅(SiC)是另一种宽带隙半导体,其进入市场的时间略长,相比目前可用的氮化镓解决方案,支持更广泛的电压和导通电阻。不过,有研究显示,在将氮化镓器件与某些类似的碳化硅器件进行直接比较时,前者的开关损耗降低约25%,并支持更高的工作频率。

罗姆半导体(上海)有限公司技术中心总经理水原德健也认为,氮化镓器件作为高频工作出色的器件,在中等耐压范围的应用中备受期待。特别是与碳化硅相比,其在基站和数据中心等领域中,作为有助于降低各种开关电源的功耗并实现小型化的器件被寄予厚望。

汽车是最具前途的应用领域之一

汽车被认为是氮化镓最有前途的应用领域之一。在2019东京车展上,丰田汽车曾展出一款与他方共同研发的all-GaN概念车。据介绍,该款车配装使用氮化镓元器件的高效逆变器,能使二氧化碳减排至少20%。

随着电动化、智能化的发展,今天的汽车比以往任何时候都集成了更多的电力系统。随着这一需求的出现,电气工程师需要创新技术与成本上都可行的新设计——重量轻、结构紧凑、耐久性强的系统,这样汽车的性能才不会受到影响。为此,一些车企的解决方案转向氮化镓场效应晶体管(GaN FET)。

据介绍,氮化镓将在新能源汽车领域开启新天地,主要有三种应用:车载充电器,用于给高压电池充电;DC/DC转换器,将来自高压电池的电力转换给汽车上其他电子设备;牵引驱动或电机控制,可以用于驱动电机。

Alex Zahabizadeh进一步解释道,工程师可以利用氮化镓使混合动力和电动汽车达到现有解决方案两倍的功率密度,使得充电速度更快,运行更稳定可靠并且车载充电系统效率更高。氮化镓较低的开关损耗可以提高效率,从而减轻车载散热系统的负担并增加电动汽车的续驶里程。

此外,氮化镓场效应晶体管更高的工作频率,还可将功率磁性器件的尺寸减小约60%,从而降低系统成本并提高整体功率密度。基于氮化镓在600~650V额定设备上更加优良的开关性能,其最直接的应用将是汽车高压DC/DC转换器和车载AC/DC充电器。

2023年有望配装量产车

虽然预测未来总是困难的,但Alex Zahabizadeh表示,相信在今后10~20年,氮化镓将会得到更广泛的应用。现阶段,氮化镓设备多用于USB充电器。下一步,这些充电器不仅会被投放到零部件市场进行销售,而且会成为未来平板电脑和笔记本电脑充电器的标配。

据悉,使用氮化镓的服务器、计算机和工业电源已投入使用,预计到2022年和2023年将取得更广泛的商业应用。而氮化镓在机器人和电机驱动器等其他工业市场也会同期被更广泛地投入商业市场之中。

在汽车领域,车企正在尝试将氮化镓用于未来的车载充电器和高压直流转换器中,预计量产车最快将在2023年有可能搭载氮化镓元器件。如果车企的判断准确,那么2024~2026年,更经济实用的电动汽车数量的增加将带动氮化镓元器件获得更广泛的应用。

水原德健告诉记者,当提高频率来实现电源小型化的市场需求不断增长,氮化镓元器件就会上量。

实现车规级仍是主要挑战

一些半导体制造商已开始开发氮化镓产品,但问题也凸显出来,如果要进一步普及,必须从用户的角度来思考问题。

Alex Zahabizadeh指出,所有的电子产品都需要电源管理,因此采用尺寸更小、效率更高的电源电子器件将成为关键一环,也会是汽车、消费电子和工业设备的发展趋势之一。氮化镓技术可以降低20%~60%的功率损耗,使整个系统更加高效,在市场上将拥有很强的竞争力。

氮化镓处于众多行业趋势的交汇点,而目前的主要挑战是如何将能够发挥出该技术潜力优秀的产品推向市场。据了解,首先,德州仪器目前正将氮化镓从一种研究技术转化为一种真正的产品,并与行业标准化组织合作,开发测试氮化镓的可靠性方法,用来检测其特有的故障机制,以便客户可以安心地使用该项技术。

“终极挑战则是为每个不同的市场和终端,提供氮化镓解决方案。相比其他市场,汽车市场一直是独一无二的。正是汽车行业严格的质量标准,促使我们设计了更安全、更可靠的集成自我保护功能,如温度监测、过流保护、短路保护等。”Alex Zahabizadeh说。

延伸阅读:GaN+汽车=?

闻泰科技650VGaN技术通过车规级测试

闻泰科技全资子公司安世半导体推出了GaN FET,目标市场包括汽车、数据中心、电信设备、工业自动化和高端电源等领域。特别是在插电式混合动力汽车或电动汽车上,氮化镓技术是逆变器的首选技术。目前,安世半导体650V GaN技术已通过车规级测试,2021年开始交付汽车客户。

蔚来汽车推出GaN手机充电器

今年6月,蔚来汽车与闪极科技联名打造90W氮化镓(GaN)快充的消息引人关注。此前,蔚来在其官方商城上架了一款售价239元的氮化镓充电器,但不是给汽车充电,而是给数码产品充电。作为新能源汽车企业,蔚来与手机厂商分一杯羹令人有些意外。

德州仪器推出具集成驱动器的GaN FET

2020年,德州仪器(TI)推出了业界首款具有集成驱动器的650V车用GaN FET产品。它针对400V和800V电池系统的3.3~22kW车载充电应用进行了优化。

据介绍,德州仪器一直在与客户合作开发产品功率密度大于4 kW/L的设计,这几乎是现有金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)和绝缘栅双极晶体管(IGBT)解决方案的两倍,使得汽车系统可在相同体积下使用更高额定值的车载充电器,从而显著减少充电时间。

罗姆即将提供GaN HEMT产品样品

今年,罗姆面向以工业设备和通信设备为首的各种电源电路,开发出针对150V氮化镓耐压高电子迁移率晶体管(GaN HEMT)的8V栅极耐压(栅极-源极间额定电压)技术。据介绍,与硅器件相比,其开关损耗降低了约65%。罗姆GaN HEMT产品预计2021年9月开始提供产品样品。(记者:郝文丽)

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