碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）被广泛认为是能源转换的未来，是佛罗里达州奥兰多举行的APEC 2023会议的突出亮点。根据纳微半导体在演讲中提供的数据，预计到2027年，这两种半导体技术将赢得每年220亿美元的硅功率市场中的30%。然而，当谈到电力电子的新视野时，这两种宽带隙（WBG）材料的路径越来越交织在一起。2023年APEC会议对WBG技术所处的位置以及各自的产品路线图进行了审视。

图1. 2023年APEC是探索氮化镓技术和应用路线图的好地方。资料来源：高效电源转换（EPC）

本文重点介绍的氮化镓功率器件已经批量生产超过13年，在广泛的应用中使用了数以亿计的晶体管和IC。以消费类适配器为例，氮化镓半导体将其尺寸减小了近50%，效率提高了94%。这些器件现在通常用于75W以下的AC/DC设计，因为它们具有能效和功率密度优势。

在APEC 2023上，为智能手机、笔记本电脑和平板电脑的快速充电器供电的氮化镓器件以及用于数据中心AC-DC电源的千瓦级平台设计是一个突出的趋势。然而，在APEC会议上占据中心舞台的是GaN在快速发展的电动汽车（EV）设计领域中的地位。这个前提有多现实，什么时候会发生？在APEC会议上与主要的GaN半导体供应商交谈提供了急需的信息。

电动汽车中的氮化镓

氮化镓半导体广泛面向80V至650V应用，可实现新的电源和音频保真度，同时促进中等功率和高开关频率。英飞凌科技集团首席应用工程师Andre Christmann表示，虽然氮化镓技术正在加速发展，但在2025年之前，它在汽车市场上并不重要。“GaN可能会在2025年后与车载充电器（OBC）和DC / DC转换器市场的硅和SiC技术竞争。”

市场研究公司IDTechEx最近发布了一份题为“2023-2033年电动汽车电力电子”的报告，认可OBC和DC/DC转换器将成为GaN功率器件的第一个市场切入点。这是因为OBC和DC/DC转换器的工作功率要低得多。此外，GaN材料的效率优势是更快的交流充电或电池充电的驱动因素。

Transphorm技术营销和业务开发高级副总裁Philip Zuk似乎对GaN在汽车市场的优势更加乐观。“随着时间的推移，GaN将拥有DC/DC转换器和OBC市场，因为它更便宜，效率更高，”他说。对于牵引逆变器，Zuk表示，GaN器件在50kW以下的小型电动汽车中发挥作用。他提到了Transphorm即将推出的1200V半导体，该半导体采用蓝宝石上的GaN制造，可以集成到电动自行车和电动滑板车中。“问题是它会被采用的速度有多快。Transphorm的1200V GaN半导体将于2023年底开始送样。

图2. GaN技术通常以650V器件为界，很快就会在WBG版图上出现一个新的产品，即1200 V FET。图片来源：Transphorm

Transphorm成立于2007年，声称是第一家通过JEDEC和汽车认证的GaN半导体供应商。其产品组合包括650V和900V FET，而1200V FET目前正在开发中。然而，Zuk承认900V器件更像是一个展示品，证明我们可以做更多的事情，而不仅是650V GaN。

“900-V GaN器件将消失，因为它们的电压不够高，”Zuke补充道：“我们非常看好的1200V技术，因为它适配800V电池电动汽车，太阳能基础设施和高功率充电等新领域。”

除了Tramsphorm之外，另一家争夺GaN在电动汽车中更大作用的公司是VisIC Technologies。它采用650-V GaN芯片与Hofer Powertrain合作开发EV逆变器设计。在APEC 2023上，这家总部位于以色列的公司的联合创始人兼首席执行官Tamara Baksht详细介绍了基于GaN的三相逆变器参考设计，该参考设计具有 400V母线电压和400A RMS电流。

超越电动汽车的氮化镓

当然，氮化镓不仅仅针对电动汽车设计。纳微半导体（Navitas Semiconductor）宣布已出货7500万片高压氮化镓器件，该公司注意到数据中心的氮化镓市场正在加速增长。纳微半导体企业营销副总裁Stephen Oliver也提到，家用电器和工业市场的电机驱动器是GaN器件的一个有前途的新场所。

“在真空吸尘器、冰箱压缩机、洗衣机和烘干机等应用中，GaN可以使电机驱动器更高效、更小、更轻，”奥利弗说：“住宅太阳能逆变器可能是下一个，与传统硅解决方案相比，由于高频操作和集成，GaN可能带来约25%的系统成本节省。”

对于电动汽车，Oliver承认GaN在400V电池系统中具有潜力，但他很快指出SiC将占据大部分业务。“GaN的第一个应用地方将是快速充电器和DC/DC转换器，”他说：“对于牵引驱动，GaN是一种700V技术，可用于400V电池系统。但有一点是，随着功率水平上升到800V电池汽车，SiC接管了。”

他还谈到了该公司最新的氮化镓相关开发：GaNSense Control IC，一种与氮化镓IC集成的硅基低压系统控制器（图 3）。“GaNSense控制IC将高压GaN功率IC与高速、低压硅系统控制器相结合，以提高易用性和系统性能，”Oliver说：“添加系统控制器通过增加自主传感和快速控制来优化整个功率系统。”

图3. 新的芯片组设计将GaN IC与基于硅的系统控制芯片集成在一起。图片来源：纳微半导体

氮化镓的2023年展望

尽管如此，GaN在APEC上还有更多内容，APEC是电源和模拟设计工程的主要行业参考点。例如，栅极驱动器如何支持WGB器件（如：650V GaN FET）。另一场以GaN功率器件为重点的会议强调了与GaN HEMT相关的设计问题，阐明了断路器、导通电阻稳定性和过压开关等领域。

剑桥氮化镓器件（CGD）提供了有关其用于高压应用的650V晶体管的技术细节（图4）。ICe-GaN器件集成了电流检测和米勒钳位，可实现安全关断、栅极保护和静电放电（ESD）保护。

图4. ICe-GaN晶体管可以像硅MOSFET一样工作，无需特殊的栅极驱动器、驱动电路或独特的栅极电压钳位机制。图片来源：剑桥氮化镓器件（CGD）

归根结底，GaN在电力电子领域的旅程中似乎有两件事很明显。首先，正如高效功率转换（EPC）创始人兼首席执行官Alex Lidow所指出的那样，GaN在达到类似于硅功率器件的成熟状态之前还有很长的路要走。其次，GaN器件越来越关注利润丰厚的电动汽车设计，其目前是硅和SiC器件的领域。“有了1200 V GaN晶体管，我们可与SiC竞争，”Transphorm的Zuk说。

这听起来可能有点兴奋，但英飞凌的Christmann在2023年APEC的演讲“电气化动力总成中的电力电子”中也发表了类似的声明。“汽车关注成本，”他说：“GaN的价值主张归结为成本，成本和成本。”

因此，除了英飞凌收购GAN Systems后氮化镓行业备受期待的整合之外，值得关注的是，WBG技术如何在2023年关键的电动汽车市场中占有一席之地。与此同时，它在消费充电器、数据中心电源和太阳能基础设施等市场中的地位似乎非常有前途。在不到十年的时间里，这是一个多么大的提升。

来源：星辰工业电子简讯