GaN“上車(chē)”進(jìn)程加速，車(chē)用功率器件市場(chǎng)格局將改寫(xiě)

根據Yole機構2024 Q1的預測，氮化鎵 (GaN) 功率半導體器件市場(chǎng)2023至2029年平均復合年增長(cháng) (CAGR) 將高于45%，其中表現最為搶眼的是汽車(chē)與出行市場(chǎng)（automotive & mobility），“從無(wú)到有”，五年后即有望占據三分之一的GaN應用市場(chǎng)（圖1）。而相比之下，碳化硅（SiC）應用市場(chǎng)成長(cháng)則顯得比較溫和，CAGR遠低于GaN（圖1）。隨著(zhù)GaN“上車(chē)”進(jìn)程加速，功率器件器件市場(chǎng)競爭格局或將被改寫(xiě)。

圖1：在GaN市場(chǎng)份額變化中，汽車(chē)與出行市場(chǎng) “從無(wú)到有”，五年后占1/3 GaN市場(chǎng)。同期GaN復合增長(cháng)趨勢明顯強于SiC市場(chǎng)（資料來(lái)源：Yole Q1 2024）

GaN入局汽車(chē)功率器件市場(chǎng)

眾所周知，新興的半導體技術(shù)正在重塑功率器件市場(chǎng)。Yole機構最新統計數據顯示，未來(lái)三年，功率器件市場(chǎng)規模的將從目前的200多億美元增長(cháng)至300多億美元，寬禁帶（WBG）半導體器件——SiC和GaN——占比有望超過(guò)三成（圖2）。

圖2：SiC和GaN功率器件市場(chǎng)份額將在2028年達到30% (資料來(lái)源：Yole 2023)
Omdia對功率器件應用市場(chǎng)構成進(jìn)行的分析表明，高壓大功率應用市值占80%以上，包括工業(yè)、汽車(chē)、計算與存儲等領(lǐng)域（圖3）。其中，混合/純電動(dòng)汽車(chē)(HEV/EV）將是這場(chǎng)競爭的主競技場(chǎng)——純電動(dòng)汽車(chē)的“硅含量”是內燃機車(chē)的2.5倍，且市場(chǎng)規模也在持續增長(cháng)，至2027年全球電動(dòng)汽車(chē)的銷(xiāo)量將超過(guò)燃油車(chē)。

圖3 ：高壓大功率應用占功率器件市值80%以上，混合/純電動(dòng)汽車(chē)(HEV/EV）是高壓大功率器件未來(lái)最重要的競爭市場(chǎng)。（資料來(lái)源：Omdia 2024 ）

之所以寬禁帶化合物半導體功率器件在電力電子市場(chǎng)備受青睞，主要是因為基于GaN或者SiC的開(kāi)關(guān)電源損耗小、工作頻率高，在功率密度、可靠性和降低（系統）成本等方面有著(zhù)明顯優(yōu)勢。這些優(yōu)勢得益于材料的諸多特性，如更寬的帶隙、高臨界場(chǎng)強、更高的電子遷移率?；谶@類(lèi)材料的功率器件，導通電阻能做到很小，并能夠工作在相對更高的電壓下，而傳統硅基器件則達到了性能極限。

隨著(zhù)特斯拉在EV主逆變器上采用SiC，寬禁帶技術(shù)吹響進(jìn)軍汽車(chē)應用市場(chǎng)的號角。Yole數據顯示，EV是SiC市場(chǎng)最主要的驅動(dòng)力，電動(dòng)汽車(chē)應用占了SiC市場(chǎng)的75%（圖1）。然而，2023至2024年期間，業(yè)界也看到SiC的推廣在商業(yè)和技術(shù)層面都面臨著(zhù)結構性的硬挑戰，比如制造良率、器件可靠性和供應鏈成本等。

而相比之下，同為寬禁帶半導體，GaN的大規模市場(chǎng)應用時(shí)間更早，領(lǐng)域更廣泛——RF射頻、LED照明、激光、光電領(lǐng)域都早已活躍著(zhù)GaN的足跡，而在高壓大功率應用中更是不乏GaN的身影，比如太陽(yáng)能、人工智能、計算中心、航空、區塊鏈應用等領(lǐng)域。根據The Information Network機構的預測，2021-2025年期間，GaN的復合年均增長(cháng)率達53.2%，超過(guò)碳化硅的42.5%。功率器件市場(chǎng)將是未來(lái)幾年GaN與SiC角逐的主賽場(chǎng)。

GaN在汽車(chē)行業(yè)，也顯現出了不容忽視的發(fā)展潛力。Transphorm業(yè)務(wù)發(fā)展與市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)高級副總裁Philip Zuk表示：“GaN功率半導體技術(shù)，以其更好的性能、更高的制造良率、以及材料和制造成本較低，符合汽車(chē)ODM和OEM成功所需的性能和成本結構。” Philip認為，現階段甚至未來(lái)一段時(shí)間SiC成本的降低，主要是由中國市場(chǎng)2024年初起拉動(dòng)的襯底價(jià)格大幅降低所導致的。根據Asia Waypoint公司的市場(chǎng)數據，中國的碳化硅襯底產(chǎn)量占了2023年全球市場(chǎng)供應量的42%；這家專(zhuān)業(yè)于中國市場(chǎng)分析、位于北京的咨詢(xún)公司甚至預測，中國制造的SiC襯底將于2026年升至50%，占據全球市場(chǎng)的半壁江山，一改近年來(lái)一直由Wolfspeed獨家擁有70%以上的市場(chǎng)格局。

碳化硅襯底市場(chǎng)的這一影響深遠的內在變化，加之由于價(jià)格內卷、租賃市場(chǎng)變化、補貼政策調整等等外部因素，讓電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)隨時(shí)可能面臨的需求“凜冬”，并迅速影響SiC市場(chǎng)收益，利潤率被擠壓并波及整體SiC供應鏈。

GaN在電動(dòng)車(chē)和出行市場(chǎng)正值起步階段，并不斷提升產(chǎn)能和效率，降低供應鏈成本。由于GaN具有高性能特性，且已經(jīng)在很多大功率應用領(lǐng)域經(jīng)受住了市場(chǎng)的考驗，加之持續的技術(shù)進(jìn)步和制造成本降低，讓GaN技術(shù)應用不再是設計工程師的挑戰，而是可以幫助客戶(hù)實(shí)現更佳的解決方案。

提升EV的性能優(yōu)勢

GaN器件獨特的優(yōu)勢，特別是采用常閉型耗盡型（D-mode）架構的GaN器件，背后是基礎物理學(xué)規律的支撐，即所謂的“二維電子氣”（2DEG）。2DEG是在器件未摻雜的GaN和AlGaN層之間自發(fā)產(chǎn)生的一個(gè)暢通溝道（圖4）。由于2DEG的存在，GaN器件的電子遷移率遠高于市場(chǎng)上的任何其它半導體材料。

圖4：GaN器件的優(yōu)勢來(lái)自“二維電子氣（2DEG）”（資料來(lái)源：Transphorm）

材料的電子遷移率越大，相同電場(chǎng)強度下電子的速度越高，每個(gè)電子攜帶的電流就越大。GaN與SiC器件材料的最顯著(zhù)的區別就是GaN的電子遷移率是SiC的近三倍，這意味著(zhù)電子通過(guò)GaN要比SiC快得多。憑借如此高的電子遷移率，在實(shí)際應中，GaN可以獲得高電流，與 Si 或 SiC 相比，開(kāi)通或關(guān)斷GaN所需要的電荷更少，也就是說(shuō)，每個(gè)開(kāi)關(guān)周期所需的能量更少，有助于提高效率。

同時(shí)，GaN 的高電子遷移率允許器件具有高得多的開(kāi)關(guān)速度，基于 GaN晶體管的功率轉換器可以在數百kHz的頻率下高效運行，而基于硅或 SiC 的功率轉換器的頻率約為100 kHz。

高效率還意味著(zhù)可以采用更小的散熱裝置，而在高頻下運行則意味著(zhù)外圍電感器和電容器也可以非常小，因此基于GaN器件的功率轉換器可以做到尺寸更小、重量更輕，大大降低整體的系統成本。

此外，在高壓應用中，SiC電阻溫度系數（TCR，coefficient of resistance)隨著(zhù)應用溫度升高而增大，影響SiC電氣性能的發(fā)揮。我們看到目前新一代SiC MOSFET在向溝槽結構發(fā)展，這將有助于減小管芯尺寸，提升產(chǎn)量并降低成本，但是，溝槽結構同時(shí)會(huì )導致較低的額定電流，并對碳化硅材料的TCR“優(yōu)勢”產(chǎn)生負面影響——目前的SiC與硅基GaN的TCR是不相上下的。相反，GaN成本更低，現在不僅開(kāi)關(guān)損耗更低，而且傳導損耗也將于SiC器件“平起平坐”，這將更有利于GaN市場(chǎng)的未來(lái)發(fā)展。
因此，提升EV性能和效率，GaN具有更大的優(yōu)勢。

拿EV的電機驅動(dòng)逆變器來(lái)說(shuō)，GaN更高的開(kāi)關(guān)速度就具有更大的優(yōu)勢。由于驅動(dòng)逆變器沒(méi)有磁性組件，因此成本的降低全都與功率半導體相關(guān)。高電子遷移率使得GaN器件可在更高的頻率下使用，產(chǎn)生更平滑的正弦波，提高電機的效率，從而減少功率損耗。使用GaN替代目前常用的硅器件IGBT和/或平面型SiC MOSFET，不僅提高逆變器效率，降低“硬開(kāi)關(guān)”損耗，還可以讓更多的能量用于驅動(dòng)車(chē)輪，從而緩解用戶(hù)的里程焦慮。

此外，相較于SiC，GaN還可以提供更高的功率密度，因此開(kāi)發(fā)者能夠以相同的外形尺寸開(kāi)發(fā)更高功率的車(chē)載充電器，從而提高電池充電速度。

需要指出的是，共源共柵形式的常閉耗盡型GaN平臺（比如Transphorm的SuperGaN）才保持了2DEG的自然狀態(tài)，并充分利用其固有優(yōu)勢。而如果采用增強型的GaN設計，則會(huì )破壞2DEG，影響器件的總體性能和可靠性，特別是在高壓大功率范圍。因此，常閉耗盡型是汽車(chē)功率應用中更優(yōu)的GaN解決方案。

更優(yōu)的供應鏈保障

除了器件基礎性能帶來(lái)的性能和成本優(yōu)勢，與基于SiC的系統相比，基于GaN的功率系統還具有較低成本的供應鏈以及更優(yōu)的制造工藝。SiC襯底材料成本是硅和藍寶石的20-25倍，而且，SiC襯底材料缺陷——特別是當額定電流高于100A，裸晶尺寸變大時(shí)將嚴重影響生產(chǎn)良率。而100A在超過(guò)100kW的電機驅動(dòng)逆變器中相當普遍。

GaN平臺的制造技術(shù)更簡(jiǎn)單，只需使用標準硅器件制造設備和工藝便可獲得相同的良率，這與SiC制造工藝形成了鮮明的對比。SiC 的襯底、外延和制造成本高于 GaN，這也為GaN提供了搶占市場(chǎng)份額的機會(huì )。

GaN器件還能夠為汽車(chē)應用領(lǐng)域拓展“第二貨源”，引入更多車(chē)規級封裝選項，比如底部冷卻的TOLL，頂部冷卻的TOLT、PSOP-20和LFPAK1212，以及行業(yè)內在討論的TO-247-4L封裝（可以引腳對引腳插入式兼容SiC）等等，幫助整車(chē)制造商降低采購成本。

如今，汽車(chē)應用領(lǐng)域對寬禁帶技術(shù)已經(jīng)度過(guò)了FOMO（缺席焦慮期），最近瑞薩電子（Renesas）收購Transphorm，也表明半導體行業(yè)的頭部廠(chǎng)商也在通過(guò)擴大規模和優(yōu)化結構、打造更為穩定的GaN供應鏈，迅速切入電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)。

提供高質(zhì)量和高可靠性

GaN在汽車(chē)應用方面仍處于起步階段，立足并穩步發(fā)展的基礎是GaN技術(shù)必須擁有與性能相匹配的質(zhì)量和可靠性。

現有GaN市場(chǎng)的供應商，有使用代工生產(chǎn)的GaN供應商，也有采用垂直整合商業(yè)模式的公司。后者擁有全面的設計、外延片生產(chǎn)、晶圓制造工藝能力，在這些關(guān)鍵領(lǐng)域擁有豐富的知識和產(chǎn)權，因此比無(wú)晶圓廠(chǎng)GaN供應商更具優(yōu)勢，不僅可以靈活地滿(mǎn)足客戶(hù)需求，在千瓦級終端應用中，保證解決方案的最佳可靠性。

目前業(yè)內還沒(méi)有GaN器件的任何JEDEC質(zhì)量標準文件，但各個(gè)GaN在“品控”方面的努力從未停止。Transphorm早在十多年前便開(kāi)始了“超越”JEDEC和AEC-Q101的測試，根據客戶(hù)對動(dòng)態(tài)導通電阻（擊穿電流）的擔憂(yōu)，還增加了長(cháng)期開(kāi)關(guān)測試項目，并發(fā)布了高壓GaN器件早期失效數據。據悉，Transphorm的GaN技術(shù)產(chǎn)品是唯一被納入各種任務(wù)關(guān)鍵型應用設計并實(shí)際投產(chǎn)的產(chǎn)品，涵蓋了航空航天、數據中心、液冷區塊鏈和機架式UPS等電源領(lǐng)域，所生產(chǎn)的器件實(shí)現了非常突出的現場(chǎng)可靠性，目前FIT失效率小于0.05。

技術(shù)創(chuàng )新的擴展空間

如果說(shuō)上述GaN在性能、供應鏈、可靠性和質(zhì)量方面的優(yōu)勢，有助于其找到汽車(chē)應用方面的市場(chǎng)切入點(diǎn)，快速“上車(chē)”，不過(guò)想要站穩腳跟并繼續擴大自己的應用版圖，則需要持續的技術(shù)創(chuàng )新。

傳統上認為，GaN器件更適用于數百伏以下的應用，而要使 GaN 能夠適用于SiC目前工作的更高電壓的大功率應用，必須要有額定電壓為 1200V的成本效益型高性能GaN器件。

常閉耗盡型650V的GaN通常使用硅襯底，Transphorm已有額定電壓為 900 V的GaN晶體管。最近Transphorm又展示了在藍寶石襯底上制造的1200V GaN 器件，其電氣和熱性能均與 SiC 器件旗鼓相當。由于GaN外延和藍寶石襯底的成本降低，預計2025 年第一代 1200V GaN 晶體管的價(jià)格即可低于SiC同類(lèi)產(chǎn)品。而且，在這些高壓器件中，GaN較高的內在電子遷移特性仍會(huì )得以保留，這也就意味著(zhù)其仍具有開(kāi)關(guān)速度比SiC快的優(yōu)勢，這顯然有助于打造更輕、更小的高壓、大功率產(chǎn)品和方案。

另外，GaN FET的封裝形式也向著(zhù)多樣化發(fā)展，有著(zhù)極大的擴展創(chuàng )新空間。車(chē)載應用中需要考慮苛刻的散熱條件，這極為重要。單片的GaN解決方案，比如四象限開(kāi)關(guān)或雙向開(kāi)關(guān)，同時(shí)提供電壓和電流控制（圖5左），可以有效且高效地減少零件數量，并移除兩個(gè)功率級之間的直流鏈路電容器。

圖5：器件封裝和系統應用中，GaN也有極大的技術(shù)創(chuàng )新空間（資料來(lái)源：Transphorm）

圖5右是常用車(chē)載充電器示意圖，此處的電解電容器通常是電源最開(kāi)始發(fā)生故障的地方，因為它們會(huì )由于外殼內部的散熱問(wèn)題發(fā)生電解液干涸。通過(guò)降低成本（去除直流鏈路電容器），同時(shí)還提高效率并減少發(fā)熱，系統便可在較低溫度下運行，從而延長(cháng)充電器的使用壽命。

基于創(chuàng )新的封裝技術(shù)，未來(lái)還能夠開(kāi)發(fā)出使用對流空氣冷卻（而非水冷方式）的車(chē)載充電裝置；這項技術(shù)還可以借助只有一半器件數量的AC-AC矩陣轉換器來(lái)驅動(dòng)電流源電機。

總結

電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力總成的各種組件，比如車(chē)載充電器、DC-DC轉換器、輔助逆變器、傳動(dòng)系逆變器、電機驅動(dòng)器、電池管理系統等應用，以及為EV配套高效、安全、便捷的充電基礎設施，均可以受益于GaN的高頻、高效和雙向轉換功能。GaN器件在性能、供應鏈、可靠性以及可擴展性方面的優(yōu)勢潛能，也將隨著(zhù)應用的拓展不斷釋放出來(lái)。

有分析表明，EV逆變器采用SiC后，比傳統硅基器件優(yōu)化了30%，如果電動(dòng)汽車(chē)中其他大功率應用可以從GaN技術(shù)中獲益，還可為汽車(chē)應用再帶來(lái)額外20%的優(yōu)化。GaN”上車(chē)”后會(huì )給我們帶來(lái)什么樣的驚喜，讓我們拭目以待。