搶搭EV:GaN能和SiC一樣成功嗎?

作者 : Ahmed Ben Slimane、Ezgi Dogmus、Poshun Chiu、Maurizio Di Paolo Emilio

SiC和GaN最終將如何發展?功率SiC元件製造商預計電動車(EV)市場將會達到數十億美元,而GaN也會取得同樣的成功嗎?OEM在EV傳動系統逆變器中廣泛採用GaN,將從根本上影響市場預測結果。眼下我們只能拭目以待…

過去幾十年來,碳化矽(SiC)和氮化鎵(GaN)技術不斷進步,業界對於SiC和GaN的接受度越來越高,並看好其營收可望達到十億美元。自英飛凌科技(Infineon)於2001年推出一款蕭特基二極體,成為業界首款商用SiC元件後,開啟了SiC元件快速發展的時代。預計到2026年,這一產業領域的營收將超過40億美元。

2010年,宜普電源轉換(Efficient Power Conversion;EPC)發佈了超快速開關電晶體,GaN的表現著實讓整個業界驚歎。目前,GaN的市場採用率尚未達到SiC的普及程度,但預計到2026年,功率GaN營收可望達到10億美元。

未來,這兩種技術要在市場上取得成功,關鍵就在於電動車(EV)和混合動力車(HEV)。EV/HEV確實是SiC的最佳應用市場——在超過25億美元的市場中,至少有60%來自EV/HEV市場。

 

圖1:全球功率SiC元件市場預測(以應用領域計)。(來源:Yole Développement)

SiC獲車廠青睞

特斯拉(Tesla)於2017年在其Model 3中使用SiC MOSFET,成為第一家使用SiC功率元件的汽車製造商,從此開啟了SiC功率元件市場的大門。特斯拉使用的SiC MOSFET來自意法半導體(STMicroelectronics),該元件並與內部的主逆變器整合在一起。此後,其他汽車製造商也迅速跟進,包括現代(Hyundai)、比亞迪(BYD)、蔚來(Nio)以及通用汽車(General Motors;GM)等。

中國的吉利汽車(Geely Automobile)最近宣佈,日本羅姆公司(ROHM Japan)將為其電動車提供基於SiC的牽引逆變器;蔚來也將在其車輛中採用基於SiC的電力驅動系統;同時,汽車與半導體製造商比亞迪也一直在為其電動車產線開發SiC模組。

去年,中國電動巴士製造商宇通(Yutoing)透露將在其客車動力傳動系統中使用中國嘉興斯達(StarPower)製造的SiC功率模組,這些模組使用了來自Wolfspeed的SiC元件。

現代汽車將在其電動車中整合英飛凌用於800V電池平台的SiC功率模組,日本豐田(Toyota)的Mirai電動車也將在其氫燃料電池中使用Denso的SiC升壓功率模組。美國通用汽車也與Wolfspeed簽約,以為其電動車電力電子設備提供SiC。

歐洲汽車製造商雖然接受SiC的速度較慢,但也在慢慢改變。今年6月,雷諾(Renault)和意法半導體聯手開發了用於EV/HEV的SiC和GaN元件。估計戴姆勒(Daimler)、奧迪(Audi)和福斯(Volkswagen;VW)很快也會發佈更多相關新聞。

汽車OEM更願意從多個來源購買晶片和元件,以確保可靠供應,這對於Wolfspeed、英飛凌、意法半導體、ROHM和安森美(Onsemi)等廠商來說也很重要。目前中國和其他國家都在向SiC供應鏈注入巨額資金,銷售量看來還會繼續攀升。

在此過程中,棘手的成本問題也逐漸得到解決。以元件級來看,矽IGBT比SiC IGBT便宜得多,因而不至於太快從電源應用中消失。但是,Tier 1製造商和OEM表示,在逆變器設計中採用大功率密度SiC,由於減少了需要的元件,也節省了空間和重量,從而降低了系統級成本。

GaN剛剛起步

至於GaN呢?目前,這種寬能隙(WBG)半導體在電動車領域尚未取得像SiC那樣的成功。但由於GaN具備高頻率和高效率,OEM對這項技術興趣濃厚,因而密切關注其發展,有些甚至已經開始進行開發。

GaN功率元件已經出現在高階小尺寸的光電逆變器,並越來越多地應用於包括智慧型手機在內的一系列行動裝置快速充電中。事實上,愛爾蘭的納微半導體(Navitas)、美國的Power Integrations (PI)和中國的英諾賽科(Innoscience)都在為新興的快充市場製造GaN功率IC。

預計2021年GaN功率元件營收將達到1億美元左右,而隨著GaN元件供應商拓展其他市場以提高產量,預計到2026年這一數字將快速增加至10億美元。EV/HEV市場正是他們的首要目標。

圖2:全球功率GaN元件市場預測(以應用領域計)。(來源:Yole Développement)

GaN在電動車的應用還處於早期。許多功率GaN廠商已經開發了經車規認證的650V GaN元件,可用於車載充電器(OBC)和EV/HEV的DC/DC轉換,並與眾多汽車製造商建立了合作夥伴關係。

例如,加拿大的GaN Systems為美國EV新創公司Canoo提供用於車載充電器的元件,並與加拿大EV馬達驅動供應商FTEX合作,將650V GaN功率元件整合到電動滑板車系統中。同時,總部位於加州的Transphorm與汽車供應商Marelli合作,聯手提供車載充電器和DC/DC轉換裝置。

意法半導體預計將為雷諾的電動車提供車規元件。EPC的產品包括符合汽車標準的低壓GaN元件,該公司目前與總部位於法國的Brightloop合作,開發平價的非公路和商用車電源轉換器。去年,德州儀器(TI)推出了可用於汽車的650V GaN車規元件。

GaN在EV領域可能像SiC一樣成功?

在車載充電器和DC/DC市場的強勁發展態勢下,對GaN而言,一個重要卻很難回答的問題實際上是:這項技術是否能用於EV動力傳動系統的主逆變器,並達到與SiC元件同樣驚人的產量?

從早期的產業發展狀況來看,這是可能的。

2020年2月,荷蘭公司Nexperia與英國工程諮詢公司Ricardo合作開發基於GaN的EV逆變器。隨後,以色列公司VisIC Technologies與德國汽車供應商ZF合作,為400-V傳動系統開發GaN元件。

而在9月,GaN Systems與BMW簽署了一項價值1億美元的協議,為BMW電動車提供GaN功率元件,這力證OEM對GaN的重視。

還有另一起非常重要的事件,就是Navitas將與Live Oak Acquisition合併,成為一家市值10.4億美元的上市公司。這家GaN電源IC廠商最近宣佈將向總部位於瑞士的Brusa HyPower提供用於車載充電器和DC/DC轉換器的元件。合併後的公司將大力支持EV/HEV和其他市場的產品開發。

除了這些交易、合作和整併之外,從GaN模組的早期發展也可以看出這種元件正在追隨SiC的發展足跡,各家廠商也在為更廣泛的產業合作做準備。例如,GaN Systems將為設計工程師提供電源評估模組套件,而Transphorm一直在與富士通將軍集團(Fujitsu General Electronics)合作開發針對工業和汽車應用的GaN模組。

GaN應用

而在上一屆Nexperia Power活動中,多位業界領導者討論了與GaN技術相關的不同話題。GaN在許多應用中似乎比矽材料更具優勢。顯然地,除了汽車,還有許多市場應用,包括消費航太產業的電源轉換器,也都受益於GaN。

GaN專題討論聚集了許多業界領導者,包括Kubos Semiconductor執行長Caroline O’Brien、Ricardo總工程師Temoc Rodriguez、Hexagem執行長Mikael Björk;Nexperia策略行銷總監Dilder Chowdhury以及Nexperia GaN應用總監Jim Honea。Chowdhury致力於高功率GaN的研究,Honea則是高電壓應用的電路設計師。

Kubos Semiconductor正在開發一種稱為立方GaN (Cubic GaN)的新材料(3)。O’Brien說:「這是GaN的立方體形式,我們不僅可以在150mm及以上的大尺寸晶圓上生產Cubic GaN,還可能將其擴展到更大的晶圓尺寸,並能無縫使用現有的生產線。」

Ricardo專注於寬能隙半導體的研究,並利用SiC和GaN擴展其電氣化計畫。Rodriguez指出,特斯拉是第一家採用SiC以取代IGBT的公司,其他許多公司也開始採用包括GaN等WBG解決方案,以提高效率並減小電源轉換器的尺寸和重量。

Björk提到,Hexagem正致力於開發高品質的矽基GaN,以便為未來的應用降低成本並取得規模優勢。Björk強調,「我們將滿足更高的額定電壓要求。」

圖3:未來的新材料—Cubic GaN。(圖片來源:Kubos Semiconductor)

O’Brien說:「以佔用較小的設計空間兼具更高效率來看,我認為GaN可以在從前受限的一些應用市場(例如小型基地台)大展拳腳,並為較小外型的系統設計帶來了真正的機會。」

正如Rodriguez所指出的,開關頻率響應是其關鍵特性,它能讓DC/DC轉換器實現高達5~10kW的有趣應用。「這種DC/DC轉換器可以用在電信和能源領域,也可以用於消費電子產品。很多應用都有賴於DC/DC轉換器來提高效率並節省能源。」

圖4:汽車市場中的GaN應用。(來源:Ricardo)

Rodriguez描述了GaN在汽車領域的主要應用,如4所示,「圖左顯示車載充電器和DC/DC轉換器。目前的車載充電器可以達到3.3kW,也許是7kW,未來可能達到11kW或22kW,其關鍵就在於GaN。由於可用功率受到限制,這促使電路設計人員開始研究並聯元件。因此,我們是從DC/DC轉換器開始的。」

「我們很容易想到的第一個應用是400V到12V的DC/DC轉換器,」他繼續說,「這種DC/DC轉換器可以從高壓電池獲取電力,然後為12V電池充電並保持電池電量充足。下一個功率級則是提高到5kW。而當汽車產業採用800V電池系統時,所面臨的真正挑戰就在於接下來將何去何從。」

Björk強調晶圓的重要性,而事實上我們將會看重越來越高的電壓要求,同時最佳化GaN元件的生產,以及盡可能降低成本。「現在,市場上主要是150mm晶圓,而以後可能擴展到200mm晶圓,誰知道呢,說不定未來還可能嘗試300mm晶圓。」

矽基GaN是應用最廣泛使用的一種技術,但其發展卻並不被各方看好。Björk表示,矽基GaN面臨著自身的挑戰,而且由於存在兩大主要問題,生長矽基GaN並不容易。

「GaN和Si的晶格常數相差很大,所以並不匹配。因此,必須先生長不同的堆疊層,然後才能將GaN置於Si上,這是一種相當先進的技術,製造過程中可能產生許多缺陷和錯位,造成損壞或過早破裂。另一個問題是GaN和Si的熱膨脹不匹配,當溫度上升到1,000℃左右再冷卻,這兩種材料會以不同的速度收縮,最終造成結構損壞。」

5所示為Hexagem在極薄的100nm矽晶圓上開發之新技術。透過對表面進行建模,可以生長出無缺陷的GaN柱。Björk表示,「我們已經開發出將這些GaN柱融合成平面層的方法,目前正致力於其他半導體上開發這種製程。」

圖5:Hexagem將GaN集結到Si上。(圖片來源:Hexagem)

Honea強調汽車產業的重要性。車載充電器、DC/DC轉換器、牽引逆變器和輔助逆變器都是在電氣化中應用GaN的大好機會。Honea說:「電動車大型電池的開發,開創了許多從前無法想像的應用。」

Chowdhury說,儲存電荷Qrr較低或幾乎沒有Qrr,有助於降低濾波器的設計複雜性,並大幅提高開關性能。如果理解閘極驅動電路,如何使用GaN功率電晶體就會變得更容易。合適的去耦緩衝電路有助於輕鬆並聯功率GaN FET。最大的難題在於處理高電壓和開關頻率,許多工程師以前可能從未使用矽技術處理過這些問題。

GaN功率半導體作為下一代高性能電動車的關鍵元件,有助於縮減尺寸和重量,同時提高效率,因而越來越受到關注。與基於矽的系統相比,工程師使用GaN創建的電力電子系統外形減小了4倍、重量更輕、能量損耗也減少了4倍。零反向恢復可減少電池充電器和牽引逆變器中的開關損耗,同時具有頻率更高和開關速率更快的優點。此外,由於開關導通和關斷損耗降低了,電容器、電感器和變壓器的重量和體積也會相應減小,因而適於電動車充電器和逆變器等應用。

電源轉換器設計人員一直在尋找提高效率和功率密度的方法,WBG技術提供了可行的解決方案。設計人員可以採用越來越多的GaN電晶體解決方案,但與矽電晶體一樣,單個GaN電晶體的電流處理能力仍然有限。並聯此類元件是一種常見方法。Honea說:「GaN的一個有趣之處在於其功率大小可以擴展,透過並聯GaN電晶體,我們可以擴展功率。然而,將其並聯之後可能大幅增加共振,因此必須確保不會使其激發和放大。」

設計

Rodriguez表示,Ricardo多年來一直在利用SiC開發牽引逆變器解決方案。Ricardo測試了GaN在這一領域的應用,6是將GaN和SiC分別用於同樣的30kW牽引逆變器中。Rodriguez說:「從模擬中可以看出峰值的不同。在此最引人注目的是損耗分佈圓形圖,這很有趣,因為它顯示使用SiC設計轉換器可以讓開關損耗和傳導損耗大致相等。」在6中,開關損耗佔據了大部份,約為63%,其餘為傳導損耗;但在GaN逆變器中,情況又不同。換句話說,開關損耗幾乎被消除了,最終多個元件(如匯流排偏置和PCB)會產生大量的傳導損耗。

「現在,你當然可以決定並聯元件,這會使成本增加,但也將會減少傳導損耗,而不至於對開關損耗產生太大影響。」他補充道,「使用SiC就無法做到這一點,因為它存在開關損耗,並聯元件將使情況變得更糟。因為這是GaN的關鍵特性,也是我認為GaN將在不久的將來成為主導技術的原因。」

圖6:GaN與SiC分別用於30kW牽引逆變器。(來源:Ricardo)

使用GaN可以顯著降低開關損耗。透過使用GaN技術來提高開關的導通速度,可以最大限度減少在開關導通過程中發生的損耗。透過提高開關頻率,許多大型元件(例如變壓器、電感器和輸出電容器)的外形尺寸都可以縮小。相較於矽,GaN具有更高的熱導率並且可以承受更高的溫度。使用GaN和SiC以後,對熱管理元件(例如龐大的散熱器和冷卻裝置)的需求將減少,從而顯著減少電源尺寸和重量。

供應鏈

同時具備設計產品能力以及供應鏈,將成為製造公司在市場競爭中致勝的關鍵。Chowdhury說:「矽基GaN是在矽基底上生長的,這是它最大的一個優勢,現在是150mm,並正努力擴大到200mm,目前大多數反應器都可以容納這兩種尺寸。因此,增加反應器的數量實際上可以增加晶圓廠供應的初始材料。世界各地有許多矽晶圓廠,因此,增加現有矽晶圓廠的產能更容易得多了。對於晶片級或封裝級後端,我們擁有垂直的組織架構,可以在遠東和全球多處地點自行封裝,因而能夠實現量產,尤其是封裝元件。另外,我們也投入了很多資源,以便增加產能和滿足需求。」

O’Brien認為,無論是垂直整合的供應鏈、純代工廠還是複合半導體,半導體產業都必須嚴陣以待。幾乎所有產業對於元件的需求都在增加,尤其是汽車、智慧型手機、醫療和工業領域,這些產業需要越來越多可用於成品的元件。如果競爭環境突然變化,對於供應鏈和經銷鏈帶來龐大壓力,導致物流和交貨時間出現問題,以及關鍵供應商關門或生產停機,將會引發產業發展腳步放緩。

結語

那麼,SiC和GaN最終將如何發展?功率SiC元件製造商預計電動車市場將會達到數十億美元,而GaN也會同樣取得成功嗎?OEM在EV傳動系統逆變器中廣泛採用GaN,將從根本上影響市場預測結果。眼下我們只能拭目以待。

(參考原文:GaN for Next-Gen Power Electronics,by Maurizio Di Paolo Emilio)

本文同步刊登於EDN Taiwan 2021年12月號雜誌

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