隨著世界各地脫碳行動加速提上日程，電動汽車行業(yè)發(fā)展如日中升。盡管短期內(nèi)，電動汽車的銷量仍受疫情、地緣政治等不穩(wěn)定因素的影響，但部分地區(qū)得益于供需關(guān)系改善，近期汽車行業(yè)產(chǎn)銷兩旺，如中國市場。
根據(jù)中國汽車工業(yè)協(xié)會數(shù)據(jù)顯示，6月中國電動汽車滲透率為23.8%，產(chǎn)量和銷售分別是59萬輛、59.6萬輛，環(huán)比分別增長26.6%、33.4%，同比分別增長133.4%、129.2%。
中國市場以外，歐美地區(qū)的汽車電氣化程度也有所提升，全球范圍來看亦如此，而這正是催熟電動汽車產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵因素。同時(shí)，今年以來持續(xù)走高的油價(jià)也成為電動汽車行業(yè)高速成長的催化劑。長期而言，全球電動汽車行業(yè)景氣度仍將是上揚(yáng)的。
電動汽車風(fēng)起，GaN與SiC的競爭格局初現(xiàn)
已然風(fēng)起云涌的電動汽車產(chǎn)業(yè)正在為整個(gè)汽車產(chǎn)業(yè)鏈創(chuàng)造可觀的增長空間。從材料環(huán)節(jié)來看，以SiC、GaN為代表的寬禁帶半導(dǎo)體材料是目前及未來高端車型系統(tǒng)的優(yōu)選材料，這些材料對于提升汽車?yán)m(xù)航里程等關(guān)鍵性能來說至關(guān)重要，對電動汽車未來的普及有著重要的影響。因此，SiC、GaN深受車企、零部件廠商及供應(yīng)鏈廠商的追捧。
其中，GaN可為電動汽車創(chuàng)造的價(jià)值體現(xiàn)在：更快的開關(guān)速度、加快充電時(shí)間、縮小OBC尺寸和系統(tǒng)重量、降低能耗、通過在逆變器的應(yīng)用降低電池成本，最終滿足車體輕量化、系統(tǒng)高效化、延長續(xù)航里程等核心需求。
GaN Systems曾指出，GaN的性能優(yōu)點(diǎn)有助于將車載電池充電器的尺寸縮小25%，將牽引逆變器的功率損耗減少70%以上，同時(shí)以更輕巧的DC-DC轉(zhuǎn)換器將功率轉(zhuǎn)換損耗減半。納微半導(dǎo)體（Navitas）也表示，GaN為電動車行業(yè)帶來的利好首先是提高近60%的充電時(shí)間；其次是在雙向電路里通過逆變降低5%的電池成本，從而增加5%的續(xù)航里程。
不過，現(xiàn)階段，開始量產(chǎn)上車的第三代半導(dǎo)體材料以SiC為主，GaN上車案例屈指可數(shù)，僅從第三代半導(dǎo)體材料這個(gè)層面來看，可以說目前電動汽車領(lǐng)域是SiC的主場。雖然，GaN的舞臺暫時(shí)主要在消費(fèi)級充電市場，但GaN也開始在電動汽車領(lǐng)域發(fā)光發(fā)熱，并已初步對SiC形成一定的競爭威脅。
首先，從應(yīng)用場景來看，SiC在電動汽車中的應(yīng)用以主驅(qū)逆變器、車載充電器OBC和DC-DC轉(zhuǎn)換器為主，而GaN在其中的應(yīng)用除了OBC、DC-DC轉(zhuǎn)換器、主驅(qū)逆變器之外，還包含激光雷達(dá)（LiDAR）、無線電力傳輸、12V音頻放大器等其他應(yīng)用，可發(fā)揮的空間更多。
其次，從性能來看，SiC和GaN都具備寬禁帶半導(dǎo)體材料的出色特性，但GaN屬于硅基質(zhì)，成本較低，同時(shí)還擁有更快的開關(guān)頻率、更好的開關(guān)特性以及更低的損耗。其中，開關(guān)頻率和特性在車用激光雷達(dá)上的優(yōu)勢更為明顯。早前，英諾賽科首席營銷官馮雷博士就公開表示，GaN是激光雷達(dá)的剛需，Si和SiC都沒辦法滿足其快速開關(guān)的要求。
總的來說，GaN在成本、大規(guī)模量產(chǎn)、開關(guān)表現(xiàn)方面的優(yōu)勢相比SiC略高一籌，在電動汽車中的應(yīng)用場景也更多，稱之為SiC的勁敵不為過。而且，不止來勢洶洶的GaN-on-Si，GaN-on-GaN也將開始摻一腳。
今年1月，韓國GaN外延初創(chuàng)企業(yè)IVWorks宣布收購法國Saint-Gobain的GaN襯底業(yè)務(wù)，計(jì)劃在高功率應(yīng)用領(lǐng)域供應(yīng)GaN同質(zhì)外延片，揚(yáng)言要以GaN-on-GaN打SiC，角逐于電動汽車市場。
在實(shí)際應(yīng)用上，GaN上車速度雖較為緩慢，但其可行性和潛力正在不斷被挖掘。2019年，豐田與日本名古屋大學(xué)就采用GaN Systems的GaN技術(shù)合作開發(fā)了“全GaN汽車”，首次成功將基于GaN器件的逆變器應(yīng)用在電動汽車上，證明了GaN在汽車功率轉(zhuǎn)換方面的可行性，也證明了GaN適合所有需要更高電壓、頻率、溫度和效率的應(yīng)用。
隨后，更多車企加入GaN汽車應(yīng)用大營。其中，寶馬早在2017年就戰(zhàn)略投資了GaN Systems，并于去年向GaN Systems訂購了金額高達(dá)1億美元的GaN器件。此外，德國汽車動力總成技術(shù)公司hofer powertrain也在近期獲得一家汽車廠商的訂單，采購的產(chǎn)品是800V三電平GaN逆變器平臺。
不難發(fā)現(xiàn)，這兩年來，越來越多車企、Tier1以及GaN器件廠商摩拳擦掌，躍躍欲試。各方加大了上下游之間的聯(lián)動協(xié)同作用，拉開了車用GaN產(chǎn)品認(rèn)證、測試評估等一系列研發(fā)、驗(yàn)證工作的序幕，研究成果轉(zhuǎn)化的成效也逐漸顯現(xiàn)，這一點(diǎn)在全球主要功率廠商的動態(tài)中也有跡可循。
“開荒”進(jìn)度喜人 12大功率廠商新一輪博弈開始
從12大GaN功率相關(guān)廠商已公開的信息可見，大部分已開發(fā)出了適用于電動汽車系統(tǒng)的產(chǎn)品，車規(guī)級認(rèn)證測試的進(jìn)度不一。不過，一個(gè)比較統(tǒng)一的趨勢是：分立器件或功率IC廠商與汽車零部件廠商之間的強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，合作方向涵蓋主逆變器、車載充電器、DC-DC轉(zhuǎn)換器等。以Transphorm為例，該公司與馬瑞利的合作范圍就覆蓋了這三個(gè)方向，而且，其GaN產(chǎn)品最早通過車規(guī)級認(rèn)證。
實(shí)際落地方面，目前，GaN Systems及VisIC已拿到了實(shí)際的訂單，但后者的訂單是由其下游合作伙伴與車企簽訂。
如上文提及，GaN Systems的器件用在了全球首輛全GaN汽車上，并且已經(jīng)獲得了寶馬的大批量訂單。在此基礎(chǔ)上，GaN Systems又于去年底宣布與EPowerlabs達(dá)成合作，擬共同為車企交付高密度DC/DC功率轉(zhuǎn)換器，進(jìn)展較快。
VisIC則先后與Tier 1廠商采埃孚集團(tuán)及動力總成集團(tuán)hofer powertrain達(dá)成戰(zhàn)略合作，研究方向聚焦GaN三電平逆變器。今年7月，hofer powertrain宣布獲得了800V三電平GaN逆變器平臺的汽車訂單，由此推測VisIC的GaN三電平器件將批量應(yīng)用到車企未來的電動汽車上。
從產(chǎn)品應(yīng)用來看，安世半導(dǎo)體也已經(jīng)有拿得出手的“作品”。在2021年11月的進(jìn)博會上，上海電驅(qū)動展示了其與安世半導(dǎo)體聯(lián)合研制的新能源汽車GaN功率組件及電機(jī)控制器。據(jù)悉，這是中國首款滿足量產(chǎn)級的GaN電機(jī)控制器，率先采用安世半導(dǎo)體的車規(guī)級CCPAK頂部散熱的器件。
新品研發(fā)進(jìn)展及規(guī)劃方面，安世半導(dǎo)體的速度也不慢。在650V GaN器件通過車規(guī)級認(rèn)證的基礎(chǔ)上，該公司已開發(fā)針對900V高壓的GaN車載產(chǎn)品，并且還有針對1200V產(chǎn)品的計(jì)劃，打破GaN僅適用于中低壓產(chǎn)品的傳統(tǒng)思維。對外，安世半導(dǎo)體也有聯(lián)合汽車電子UAES、京瓷旗下KyoceraAVX Components等強(qiáng)大的“盟友”，備受業(yè)界期待。
另一家已有GaN產(chǎn)品被汽車相關(guān)客戶采用的是英諾賽科，不過應(yīng)用場景是激光雷達(dá)。在汽車系統(tǒng)中，英諾賽科認(rèn)為，激光雷達(dá)驅(qū)動器將是GaN“上車”的第一大應(yīng)用，目前國內(nèi)已有頂級車載激光雷達(dá)客戶采用了英諾賽科的GaN器件。除此之外，英諾賽科透露已開始聯(lián)合國內(nèi)及韓國的大型Tier 1廠商共同研發(fā)GaN車用項(xiàng)目。
產(chǎn)能儲備方面，英諾賽科的珠海工廠已通過汽車認(rèn)證，預(yù)計(jì)將在2024年生產(chǎn)用于汽車應(yīng)用的8英寸硅基GaN器件。目前，珠海工廠GaN晶圓月產(chǎn)能為4000片，到2025年，珠海和蘇州兩大基地的月產(chǎn)能預(yù)計(jì)可達(dá)70000片左右。
納微半導(dǎo)體的650V高功率車用GaN IC也已送樣客戶。納微副總裁及中國區(qū)總經(jīng)理查瑩杰去年底透露，車規(guī)級認(rèn)證預(yù)計(jì)今年Q4完成。
值得關(guān)注的是，納微今年初率先在上海成立了全球首個(gè)電動車GaN芯片設(shè)計(jì)中心，研究范圍覆蓋電氣設(shè)計(jì)、熱設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)計(jì)、軟件開發(fā)、完全模擬及原型設(shè)計(jì)等，目的是為電動汽車行業(yè)提供從概念設(shè)計(jì)到原型產(chǎn)品設(shè)計(jì)，從完全認(rèn)證到量產(chǎn)的服務(wù)。
除了為汽車動力系統(tǒng)開發(fā)原理圖、構(gòu)造圖和固件等之外，納微后續(xù)還將與車載充電器、DC-DC轉(zhuǎn)換器及牽引系統(tǒng)廠商展開合作。據(jù)當(dāng)時(shí)消息稱，納微正在與一家歐洲知名車企合作開發(fā)下一代GaN車載充電器，預(yù)計(jì)2025年量產(chǎn)。另外，保時(shí)捷、奧迪和大眾等歐洲頂級企業(yè)提供電力電子設(shè)備的供應(yīng)商BRUSA HyPower也公開宣布和納微達(dá)成合作關(guān)系。
其他廠商也不甘落后，各有妙招。其中，有著多重“身份”（汽車零部件廠商、半導(dǎo)體廠商等）的博世也已加入了大營，正在研究車用耐高壓GaN功率器件，憑借自身垂直整合、業(yè)務(wù)體量大等優(yōu)勢，博世未來有望成為GaN上車的一大重要推手。
車規(guī)認(rèn)證慢、技術(shù)門檻高 車用GaN仍需時(shí)間沉淀
GaN在電動汽車市場的美好前景藍(lán)圖已經(jīng)初步勾勒，但不得不承認(rèn)的是，一兩年內(nèi)很難真正上車，這其實(shí)也是業(yè)界的共識。正如納微所言，電動汽車的開發(fā)通常需要三到四年時(shí)間，因此，納微預(yù)估基于GaN技術(shù)的電動汽車可能要等到2025年后才能上市。
的確，GaN上車并非簡單地在現(xiàn)有汽車系統(tǒng)中安裝或直接替換便可實(shí)現(xiàn)，且不說電動汽車本身開發(fā)周期較長，GaN產(chǎn)品的車規(guī)級認(rèn)證也需要很長的認(rèn)證時(shí)間，因?yàn)槠嚬?yīng)體系內(nèi)的任何產(chǎn)品都有嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)和極高的可靠性、安全性要求，需要跨過不少難關(guān)。
據(jù)安世半導(dǎo)體2021年介紹，車用GaN面臨的挑戰(zhàn)有幾大方面：
（1）車用領(lǐng)域的功率要求波動較大，需要在所有工況下保持器件參數(shù)的長期穩(wěn)定；
（2）車規(guī)級功率器件長期處于高振動、高濕度、高溫度的工作環(huán)境，需求要在應(yīng)對熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力的過程中具備極高的可靠性；
（3）車規(guī)級功率器件需要滿足汽車裝備本身在體積、重量和制造成本上的嚴(yán)格要求；
（4）車規(guī)級功率器件需要具備15-20年的使用壽命。
除此之外，GaN本身的技術(shù)和工藝門檻也是一道難以跨越的鴻溝，比如單晶襯底技術(shù)。據(jù)悉，GaN單晶無法從自然界中直接獲取，需要人工制備，而現(xiàn)有的GaN單晶制備工藝存在難度大、生長速度緩慢、易產(chǎn)生缺陷等缺點(diǎn)，并且晶體尺寸較小，整體成本居高不下，因此，GaN單晶是制約GaN器件高質(zhì)量發(fā)展的重要因素。
目前，中國、日韓、歐美等各國政府也非常重視高質(zhì)量GaN單晶制備工藝的發(fā)展，其中，我國已出臺相關(guān)政策支持和鼓勵企業(yè)進(jìn)行重點(diǎn)技術(shù)攻關(guān)。企業(yè)方面，以住友電工、三菱化學(xué)等為代表的日本廠商，以蘇州納維、中鎵半導(dǎo)體、鎵特半導(dǎo)體為代表的國內(nèi)廠商都在努力攻克單晶襯底的難點(diǎn)。其中，蘇州納維已實(shí)現(xiàn)2英寸GaN單晶襯底的量產(chǎn)，為國產(chǎn)企業(yè)起到了很好的示范作用。
不過，當(dāng)前硅基GaN產(chǎn)品呼聲高，在未來一段時(shí)間內(nèi)也將是主流，而且從推動GaN上車這個(gè)層面來看，硅基GaN被寄予了厚望。如上文所言，硅晶圓成本較低，并且設(shè)備可與硅晶圓工廠兼容，易于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)。未來，在車企、零部件廠商及供應(yīng)鏈廠商的合力推動下，技術(shù)研發(fā)周期、車規(guī)級認(rèn)證時(shí)間都有望縮短，從而助力GaN提前實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)上車。
業(yè)界也有不少單位對GaN上車有著非常樂觀的預(yù)期。比如，IMEC實(shí)驗(yàn)室此前曾表示，工作電壓可達(dá)1200V的硅基GaN外延片若能順利商業(yè)化，硅基GaN功率器件在電動汽車上的應(yīng)用將會提前。德州儀器車用GaN高壓電源部門產(chǎn)品營銷工程師去年也表示，預(yù)計(jì)量產(chǎn)車最快將有可能在2023年搭載GaN元器件。他認(rèn)為，若車企判斷準(zhǔn)確，那么2024-2026年，更經(jīng)濟(jì)實(shí)用的電動汽車數(shù)量的增加將帶動GaN元器件獲得更廣泛的應(yīng)用。
總而言之，車用GaN的發(fā)展前景已經(jīng)逐步明朗，但當(dāng)下整個(gè)產(chǎn)業(yè)尚處于孵化期，技術(shù)仍需再沉淀。在現(xiàn)有實(shí)績的基礎(chǔ)上，我們期待后續(xù)有更多的廠商取得技術(shù)的突破，逐步將技術(shù)研究成果產(chǎn)業(yè)化。（文：集邦化合物半導(dǎo)體Jenny）
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