氮化镓（GaN）与碳化硅（SiC）同属于宽禁带半导体材料，相较已经发展十多年的碳化硅而言，GaN 功率器件是个不折不扣的“新秀”。它既拥有类似 SiC 在宽禁带材料方面的性能优势，也拥有更强的成本控制潜力。与传统硅材料相比，基于 GaN 材料制备的功率器件拥有更高的功率输出密度和更高的能量转换效率，并可以使系统小型化、轻量化，有效降低电力电子装置的体积和重量。随着新能源汽车市场的爆发式增长，未来在新能源汽车市场，GaN 也将迎来属于自己的一席之地。

 多家企业尝试让 GaN“上车”
       汽车领域是 GaN 在大功率器件中的重点应用场景。Yole 数据表明，传统车和新能源车会是GaN 功率器件的全新应用场景，到 2026 年市场规模会从 2020 年的 30 万美元增加到 1.6 亿美元。
       如今，已有多家企业尝试让 GaN“上车”。在 PCIM Europe 2020 上，GaN Systems 首席执行官 Jim Witham 介绍了一款 All-GaN（全氮化镓）汽车，采用可再生能源的太阳能蓄电池，证明了GaN 在汽车功率转换方面的可行性，同时也证明了 GaN 适合所有需要更高电压、频率、温度和效率的应用。
       安世半导体也前行在让 GaN“上车”的路上，据安世半导体 MOS 业务集团大中华区总监李东岳介绍，安世半导体已经采用 GaN 材料开发出针对 900V 高压的车载产品，且未来还有针对1200V 产品的计划，这打破了 GaN 仅适用于中低压产品的传统思维。
     “电动汽车对高效率、高功率密度有着严苛的要求。通过节约零组件对车内空间的占用，让乘坐空间更加舒适。针对高功率密度、强续航能力等需求，目前的硅功率半导体材料器件已经发展到瓶颈期。氮化镓器件的开关速度比硅 MOSFET 快很多，在高效率和高功率密度方面更能符合电动汽车的需求。”李东岳表示。
       车用氮化镓存在四大挑战
       赛迪智库宽禁带半导体产业高级分析师马晓凯认为，尽管新能源汽车对于GaN 而言是一个具有未来的全新应用场景，但是如今依然面临着挑战。他表示，在新能源汽车领域，GaN 面临最大的挑战在于，由于车规级认证过程较慢，对器件的可靠性和安全性要求较高，并且 GaN 要同时面临硅器件和 SiC 器件的竞争。因此只有 GaN 做得足够好、成本足够低，才可以有较强的竞争力，否则难以进行大规模应用和普及。
      据了解，由于硅基 GaN 功率器件的工作电压较低，而耐高压的 SiC 基 GaN 功率器件又比较贵，因此法国 Yole 公司预估，GaN 功率器件要到 2025 年后，才有可能在电动车上进行部署。
       李东岳也认为，车用氮化镓主要存在四方面挑战：一是车用领域的功率要求波动较大，需要在所有工况下，保持器件参数的长期稳定；二是车规功率器件长期处于高振动、高湿度、高温度的工作环境，要求器件在应对热应力和机械应力的过程中有着极高的可靠性；三是车在装备过程中，在体积重量和制造成本上都有严格的要求，功率器件必须契合汽车装备本身的需要；四是车规器件需要做到 15 年到 20 年的使用寿命，技术门槛很高。
       未来依然有望领跑
       尽管困难重重，与传统硅功率器件以及碳化硅相比，GaN 凭借其特有的优势，未来依然有望得到大规模应用。目前 GaN 在新能源汽车中应用尚未大规模起量，但仍是一个具有潜力的应用方向。
     “我国宽禁带半导体在新能源汽车领域的最大优势在于全球最大市场，从应用牵引切入，对宽禁带半导体产业发展有极大的促进作用。”马晓凯向《中国电子报》记者说道。
       IMEC 实验室在此前也曾宣布，工作电压可达 1200V 的硅基 GaN 外延片，若是商业化顺利，硅基 GaN 功率器件在新能源车上的应用将会提前。马晓凯认为，未来在 GaN 方面建议，加强技术研发和产业化推进，加快上车验证过程，与下游车厂合作建设芯片应用验证平台，加快 GaN 在新能源汽车领域的应用落地。

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