GaN“上车”进程加速，车用功率器件市场格局将改写

根据Yole机构2024 Q1的预测，氮化镓 (GaN) 功率半导体器件市场2023至2029年平均复合年增长 (CAGR) 将高于45%，其中表现最为抢眼的是汽车与出行市场（automotive & mobility），“从无到有”，五年后即有望占据三分之一的GaN应用市场（图1）。而相比之下，碳化硅（SiC）应用市场成长则显得比较温和，CAGR远低于GaN（图1）。随着GaN“上车”进程加速，功率器件器件市场竞争格局或将被改写。

图1：在GaN市场份额变化中，汽车与出行市场 “从无到有”，五年后占1/3 GaN市场。同期GaN复合增长趋势明显强于SiC市场（资料来源：Yole Q1 2024）

GaN入局汽车功率器件市场

众所周知，新兴的半导体技术正在重塑功率器件市场。Yole机构最新统计数据显示，未来三年，功率器件市场规模的将从目前的200多亿美元增长至300多亿美元，宽禁带（WBG）半导体器件——SiC和GaN——占比有望超过三成（图2）。

图2：SiC和GaN功率器件市场份额将在2028年达到30% (资料来源：Yole 2023)
Omdia对功率器件应用市场构成进行的分析表明，高压大功率应用市值占80%以上，包括工业、汽车、计算与存储等领域（图3）。其中，混合/纯电动汽车(HEV/EV）将是这场竞争的主竞技场——纯电动汽车的“硅含量”是内燃机车的2.5倍，且市场规模也在持续增长，至2027年全球电动汽车的销量将超过燃油车。

图3 ：高压大功率应用占功率器件市值80%以上，混合/纯电动汽车(HEV/EV）是高压大功率器件未来最重要的竞争市场。（资料来源：Omdia 2024 ）

之所以宽禁带化合物半导体功率器件在电力电子市场备受青睐，主要是因为基于GaN或者SiC的开关电源损耗小、工作频率高，在功率密度、可靠性和降低（系统）成本等方面有着明显优势。这些优势得益于材料的诸多特性，如更宽的带隙、高临界场强、更高的电子迁移率。基于这类材料的功率器件，导通电阻能做到很小，并能够工作在相对更高的电压下，而传统硅基器件则达到了性能极限。

随着特斯拉在EV主逆变器上采用SiC，宽禁带技术吹响进军汽车应用市场的号角。Yole数据显示，EV是SiC市场最主要的驱动力，电动汽车应用占了SiC市场的75%（图1）。然而，2023至2024年期间，业界也看到SiC的推广在商业和技术层面都面临着结构性的硬挑战，比如制造良率、器件可靠性和供应链成本等。

而相比之下，同为宽禁带半导体，GaN的大规模市场应用时间更早，领域更广泛——RF射频、LED照明、激光、光电领域都早已活跃着GaN的足迹，而在高压大功率应用中更是不乏GaN的身影，比如太阳能、人工智能、计算中心、航空、区块链应用等领域。根据The Information Network机构的预测，2021-2025年期间，GaN的复合年均增长率达53.2%，超过碳化硅的42.5%。功率器件市场将是未来几年GaN与SiC角逐的主赛场。

GaN在汽车行业，也显现出了不容忽视的发展潜力。Transphorm业务发展与市场营销高级副总裁Philip Zuk表示：“GaN功率半导体技术，以其更好的性能、更高的制造良率、以及材料和制造成本较低，符合汽车ODM和OEM成功所需的性能和成本结构。” Philip认为，现阶段甚至未来一段时间SiC成本的降低，主要是由中国市场2024年初起拉动的衬底价格大幅降低所导致的。根据Asia Waypoint公司的市场数据，中国的碳化硅衬底产量占了2023年全球市场供应量的42%；这家专业于中国市场分析、位于北京的咨询公司甚至预测，中国制造的SiC衬底将于2026年升至50%，占据全球市场的半壁江山，一改近年来一直由Wolfspeed独家拥有70%以上的市场格局。

碳化硅衬底市场的这一影响深远的内在变化，加之由于价格内卷、租赁市场变化、补贴政策调整等等外部因素，让电动汽车市场随时可能面临的需求“凛冬”，并迅速影响SiC市场收益，利润率被挤压并波及整体SiC供应链。

GaN在电动车和出行市场正值起步阶段，并不断提升产能和效率，降低供应链成本。由于GaN具有高性能特性，且已经在很多大功率应用领域经受住了市场的考验，加之持续的技术进步和制造成本降低，让GaN技术应用不再是设计工程师的挑战，而是可以帮助客户实现更佳的解决方案。

提升EV的性能优势

GaN器件独特的优势，特别是采用常闭型耗尽型（D-mode）架构的GaN器件，背后是基础物理学规律的支撑，即所谓的“二维电子气”（2DEG）。2DEG是在器件未掺杂的GaN和AlGaN层之间自发产生的一个畅通沟道（图4）。由于2DEG的存在，GaN器件的电子迁移率远高于市场上的任何其它半导体材料。

图4：GaN器件的优势来自“二维电子气（2DEG）”（资料来源：Transphorm）

材料的电子迁移率越大，相同电场强度下电子的速度越高，每个电子携带的电流就越大。GaN与SiC器件材料的最显著的区别就是GaN的电子迁移率是SiC的近三倍，这意味着电子通过GaN要比SiC快得多。凭借如此高的电子迁移率，在实际应中，GaN可以获得高电流，与 Si 或 SiC 相比，开通或关断GaN所需要的电荷更少，也就是说，每个开关周期所需的能量更少，有助于提高效率。

同时，GaN 的高电子迁移率允许器件具有高得多的开关速度，基于 GaN晶体管的功率转换器可以在数百kHz的频率下高效运行，而基于硅或 SiC 的功率转换器的频率约为100 kHz。

高效率还意味着可以采用更小的散热装置，而在高频下运行则意味着外围电感器和电容器也可以非常小，因此基于GaN器件的功率转换器可以做到尺寸更小、重量更轻，大大降低整体的系统成本。

此外，在高压应用中，SiC电阻温度系数（TCR，coefficient of resistance)随着应用温度升高而增大，影响SiC电气性能的发挥。我们看到目前新一代SiC MOSFET在向沟槽结构发展，这将有助于减小管芯尺寸，提升产量并降低成本，但是，沟槽结构同时会导致较低的额定电流，并对碳化硅材料的TCR“优势”产生负面影响——目前的SiC与硅基GaN的TCR是不相上下的。相反，GaN成本更低，现在不仅开关损耗更低，而且传导损耗也将于SiC器件“平起平坐”，这将更有利于GaN市场的未来发展。
因此，提升EV性能和效率，GaN具有更大的优势。

拿EV的电机驱动逆变器来说，GaN更高的开关速度就具有更大的优势。由于驱动逆变器没有磁性组件，因此成本的降低全都与功率半导体相关。高电子迁移率使得GaN器件可在更高的频率下使用，产生更平滑的正弦波，提高电机的效率，从而减少功率损耗。使用GaN替代目前常用的硅器件IGBT和/或平面型SiC MOSFET，不仅提高逆变器效率，降低“硬开关”损耗，还可以让更多的能量用于驱动车轮，从而缓解用户的里程焦虑。

此外，相较于SiC，GaN还可以提供更高的功率密度，因此开发者能够以相同的外形尺寸开发更高功率的车载充电器，从而提高电池充电速度。

需要指出的是，共源共栅形式的常闭耗尽型GaN平台（比如Transphorm的SuperGaN）才保持了2DEG的自然状态，并充分利用其固有优势。而如果采用增强型的GaN设计，则会破坏2DEG，影响器件的总体性能和可靠性，特别是在高压大功率范围。因此，常闭耗尽型是汽车功率应用中更优的GaN解决方案。

更优的供应链保障

除了器件基础性能带来的性能和成本优势，与基于SiC的系统相比，基于GaN的功率系统还具有较低成本的供应链以及更优的制造工艺。SiC衬底材料成本是硅和蓝宝石的20-25倍，而且，SiC衬底材料缺陷——特别是当额定电流高于100A，裸晶尺寸变大时将严重影响生产良率。而100A在超过100kW的电机驱动逆变器中相当普遍。

GaN平台的制造技术更简单，只需使用标准硅器件制造设备和工艺便可获得相同的良率，这与SiC制造工艺形成了鲜明的对比。SiC 的衬底、外延和制造成本高于 GaN，这也为GaN提供了抢占市场份额的机会。

GaN器件还能够为汽车应用领域拓展“第二货源”，引入更多车规级封装选项，比如底部冷却的TOLL，顶部冷却的TOLT、PSOP-20和LFPAK1212，以及行业内在讨论的TO-247-4L封装（可以引脚对引脚插入式兼容SiC）等等，帮助整车制造商降低采购成本。

如今，汽车应用领域对宽禁带技术已经度过了FOMO（缺席焦虑期），最近瑞萨电子（Renesas）收购Transphorm，也表明半导体行业的头部厂商也在通过扩大规模和优化结构、打造更为稳定的GaN供应链，迅速切入电动汽车市场。

提供高质量和高可靠性

GaN在汽车应用方面仍处于起步阶段，立足并稳步发展的基础是GaN技术必须拥有与性能相匹配的质量和可靠性。

现有GaN市场的供应商，有使用代工生产的GaN供应商，也有采用垂直整合商业模式的公司。后者拥有全面的设计、外延片生产、晶圆制造工艺能力，在这些关键领域拥有丰富的知识和产权，因此比无晶圆厂GaN供应商更具优势，不仅可以灵活地满足客户需求，在千瓦级终端应用中，保证解决方案的最佳可靠性。

目前业内还没有GaN器件的任何JEDEC质量标准文件，但各个GaN在“品控”方面的努力从未停止。Transphorm早在十多年前便开始了“超越”JEDEC和AEC-Q101的测试，根据客户对动态导通电阻（击穿电流）的担忧，还增加了长期开关测试项目，并发布了高压GaN器件早期失效数据。据悉，Transphorm的GaN技术产品是唯一被纳入各种任务关键型应用设计并实际投产的产品，涵盖了航空航天、数据中心、液冷区块链和机架式UPS等电源领域，所生产的器件实现了非常突出的现场可靠性，目前FIT失效率小于0.05。

技术创新的扩展空间

如果说上述GaN在性能、供应链、可靠性和质量方面的优势，有助于其找到汽车应用方面的市场切入点，快速“上车”，不过想要站稳脚跟并继续扩大自己的应用版图，则需要持续的技术创新。

传统上认为，GaN器件更适用于数百伏以下的应用，而要使 GaN 能够适用于SiC目前工作的更高电压的大功率应用，必须要有额定电压为 1200V的成本效益型高性能GaN器件。

常闭耗尽型650V的GaN通常使用硅衬底，Transphorm已有额定电压为 900 V的GaN晶体管。最近Transphorm又展示了在蓝宝石衬底上制造的1200V GaN 器件，其电气和热性能均与 SiC 器件旗鼓相当。由于GaN外延和蓝宝石衬底的成本降低，预计2025 年第一代 1200V GaN 晶体管的价格即可低于SiC同类产品。而且，在这些高压器件中，GaN较高的内在电子迁移特性仍会得以保留，这也就意味着其仍具有开关速度比SiC快的优势，这显然有助于打造更轻、更小的高压、大功率产品和方案。

另外，GaN FET的封装形式也向着多样化发展，有着极大的扩展创新空间。车载应用中需要考虑苛刻的散热条件，这极为重要。单片的GaN解决方案，比如四象限开关或双向开关，同时提供电压和电流控制（图5左），可以有效且高效地减少零件数量，并移除两个功率级之间的直流链路电容器。

图5：器件封装和系统应用中，GaN也有极大的技术创新空间（资料来源：Transphorm）

图5右是常用车载充电器示意图，此处的电解电容器通常是电源最开始发生故障的地方，因为它们会由于外壳内部的散热问题发生电解液干涸。通过降低成本（去除直流链路电容器），同时还提高效率并减少发热，系统便可在较低温度下运行，从而延长充电器的使用寿命。

基于创新的封装技术，未来还能够开发出使用对流空气冷却（而非水冷方式）的车载充电装置；这项技术还可以借助只有一半器件数量的AC-AC矩阵转换器来驱动电流源电机。

总结

电动汽车动力总成的各种组件，比如车载充电器、DC-DC转换器、辅助逆变器、传动系逆变器、电机驱动器、电池管理系统等应用，以及为EV配套高效、安全、便捷的充电基础设施，均可以受益于GaN的高频、高效和双向转换功能。GaN器件在性能、供应链、可靠性以及可扩展性方面的优势潜能，也将随着应用的拓展不断释放出来。

有分析表明，EV逆变器采用SiC后，比传统硅基器件优化了30%，如果电动汽车中其他大功率应用可以从GaN技术中获益，还可为汽车应用再带来额外20%的优化。GaN”上车”后会给我们带来什么样的惊喜，让我们拭目以待。