近來，充電更快、體積更小、更安全的氮化鎵(GaN)手機充電器橫空出世并悄然走紅，直播一姐薇婭的帶貨也讓不少消費者了解到了這一新技術。

據了解，氮化鎵在通信、工業、電子領域大有用武之地。新能源汽車時代滾滾而來，半導體器件的市場需求將持續增長，氮化鎵將在汽車電氣化應用中發揮關鍵作用。

與SiC性能類似　但另有優勢

來自IHS公司的數據顯示，預計在2021～2027年間，氮化鎵功率器件市場復合增速高達30%，到2027年產值預計超過10億美元，未來發展潛力巨大。

德州儀器(TI)車用氮化鎵高壓電源部門產品營銷工程師Alex Zahabizadeh接受《中國汽車報》記者采訪時介紹稱，氮化鎵是一種相對較新的寬帶隙半導體材料，具有更好的開關性能;特別是與現有的硅器件相比，具有更低的輸入和輸出電容以及零反向恢復電荷，可顯著降低功耗。“較低的柵極電容，可在提高開關頻率的同時，降低柵極驅動損耗;較低的輸出電容，允許設計人員在不增加相應開關損耗的情況下實現更高的開關頻率。與應用傳統硅基充電技術的汽車系統相比，氮化鎵器件的應用允許設計人員開發散熱負擔更小、功率密度提高2～5倍并將峰值效率從95%提高到98%的系統。”他回復道。

據悉，正在蓬勃發展的碳化硅(SiC)是另一種寬帶隙半導體，其進入市場的時間略長，相比目前可用的氮化鎵解決方案，支持更廣泛的電壓和導通電阻。不過，有研究顯示，在將氮化鎵器件與某些類似的碳化硅器件進行直接比較時，前者的開關損耗降低約25%，并支持更高的工作頻率。

羅姆半導體(上海)有限公司技術中心總經理水原德健也認為，氮化鎵器件作為高頻工作出色的器件，在中等耐壓范圍的應用中備受期待。特別是與碳化硅相比，其在基站和數據中心等領域中，作為有助于降低各種開關電源的功耗并實現小型化的器件被寄予厚望。

汽車是最具前途的應用領域之一

汽車被認為是氮化鎵最有前途的應用領域之一。在2019東京車展上，豐田汽車曾展出一款與他方共同研發的all-GaN概念車。據介紹，該款車配裝使用氮化鎵元器件的高效逆變器，能使二氧化碳減排至少20%。

隨著電動化、智能化的發展，今天的汽車比以往任何時候都集成了更多的電力系統。隨著這一需求的出現，電氣工程師需要創新技術與成本上都可行的新設計——重量輕、結構緊湊、耐久性強的系統，這樣汽車的性能才不會受到影響。為此，一些車企的解決方案轉向氮化鎵場效應晶體管(GaN FET)。

據介紹，氮化鎵將在新能源汽車領域開啟新天地，主要有三種應用：車載充電器，用于給高壓電池充電;DC/DC轉換器，將來自高壓電池的電力轉換給汽車上其他電子設備;牽引驅動或電機控制，可以用于驅動電機。

Alex Zahabizadeh進一步解釋道，工程師可以利用氮化鎵使混合動力和電動汽車達到現有解決方案兩倍的功率密度，使得充電速度更快，運行更穩定可靠并且車載充電系統效率更高。氮化鎵較低的開關損耗可以提高效率，從而減輕車載散熱系統的負擔并增加電動汽車的續駛里程。

此外，氮化鎵場效應晶體管更高的工作頻率，還可將功率磁性器件的尺寸減小約60%，從而降低系統成本并提高整體功率密度。基于氮化鎵在600～650V額定設備上更加優良的開關性能，其最直接的應用將是汽車高壓DC/DC轉換器和車載AC/DC充電器。

2023年有望配裝量產車

雖然預測未來總是困難的，但Alex Zahabizadeh表示，相信在今后10～20年，氮化鎵將會得到更廣泛的應用。現階段，氮化鎵設備多用于USB充電器。下一步，這些充電器不僅會被投放到零部件市場進行銷售，而且會成為未來平板電腦和筆記本電腦充電器的標配。

據悉，使用氮化鎵的服務器、計算機和工業電源已投入使用，預計到2022年和2023年將取得更廣泛的商業應用。而氮化鎵在機器人和電機驅動器等其他工業市場也會同期被更廣泛地投入商業市場之中。

在汽車領域，車企正在嘗試將氮化鎵用于未來的車載充電器和高壓直流轉換器中，預計量產車最快將在2023年有可能搭載氮化鎵元器件。如果車企的判斷準確，那么2024～2026年，更經濟實用的電動汽車數量的增加將帶動氮化鎵元器件獲得更廣泛的應用。

水原德健告訴記者，當提高頻率來實現電源小型化的市場需求不斷增長，氮化鎵元器件就會上量。

實現車規級仍是主要挑戰

一些半導體制造商已開始開發氮化鎵產品，但問題也凸顯出來，如果要進一步普及，必須從用戶的角度來思考問題。

Alex Zahabizadeh指出，所有的電子產品都需要電源管理，因此采用尺寸更小、效率更高的電源電子器件將成為關鍵一環，也會是汽車、消費電子和工業設備的發展趨勢之一。氮化鎵技術可以降低20%～60%的功率損耗，使整個系統更加高效，在市場上將擁有很強的競爭力。

氮化鎵處于眾多行業趨勢的交匯點，而目前的主要挑戰是如何將能夠發揮出該技術潛力優秀的產品推向市場。據了解，首先，德州儀器目前正將氮化鎵從一種研究技術轉化為一種真正的產品，并與行業標準化組織合作，開發測試氮化鎵的可靠性方法，用來檢測其特有的故障機制，以便客戶可以安心地使用該項技術。

“終極挑戰則是為每個不同的市場和終端，提供氮化鎵解決方案。相比其他市場，汽車市場一直是獨一無二的。正是汽車行業嚴格的質量標準，促使我們設計了更安全、更可靠的集成自我保護功能，如溫度監測、過流保護、短路保護等。”Alex Zahabizadeh說。

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聞泰科技650VGaN技術通過車規級測試

聞泰科技全資子公司安世半導體推出了GaN FET，目標市場包括汽車、數據中心、電信設備、工業自動化和高端電源等領域。特別是在插電式混合動力汽車或電動汽車上，氮化鎵技術是逆變器的首選技術。目前，安世半導體650V GaN技術已通過車規級測試，2021年開始交付汽車客戶。

蔚來汽車推出GaN手機充電器

今年6月，蔚來汽車與閃極科技聯名打造90W氮化鎵(GaN)快充的消息引人關注。此前，蔚來在其官方商城上架了一款售價239元的氮化鎵充電器，但不是給汽車充電，而是給數碼產品充電。作為新能源汽車企業，蔚來與手機廠商分一杯羹令人有些意外。

德州儀器推出具集成驅動器的GaN FET

2020年，德州儀器(TI)推出了業界首款具有集成驅動器的650V車用GaN FET產品。它針對400V和800V電池系統的3.3～22kW車載充電應用進行了優化。

據介紹，德州儀器一直在與客戶合作開發產品功率密度大于4 kW/L的設計，這幾乎是現有金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)和絕緣柵雙極晶體管(IGBT)解決方案的兩倍，使得汽車系統可在相同體積下使用更高額定值的車載充電器，從而顯著減少充電時間。

羅姆即將提供GaN HEMT產品樣品

今年，羅姆面向以工業設備和通信設備為首的各種電源電路，開發出針對150V氮化鎵耐壓高電子遷移率晶體管(GaN HEMT)的8V柵極耐壓(柵極-源極間額定電壓)技術。據介紹，與硅器件相比，其開關損耗降低了約65%。羅姆GaN HEMT產品預計2021年9月開始提供產品樣品。(記者:郝文麗)

關鍵詞： 車規級 挑戰 氮化鎵 廣泛