近日，有權威人士透露，我國計劃把大力支持發展第三代半導體產業寫入正在制定中的“十四五”規劃，以期在 2021-2025 年期間實現產業獨立自主。第三代半導體對國民經濟的重要意義可見一斑。重視之余，還要搞清楚在量大面廣的民用領域，不同材料技術究竟適合哪些應用？哪些領域可以率先嘗試？

近年來，發展電動汽車已成為全球一個必然趨勢，2025 年到 2040 年一些國家將全面禁售燃油車銷售。盡管借助了空氣動力學設計，使用更輕的材料和更高效的電池，但對增加續航里程還遠遠不夠。如何讓電動汽車達到最佳功率轉換效率，才是電動汽車贏得青睞的關鍵。要實現這個目標，就必須借助于先進功率器件，比如同為第三代寬帶隙（WBG）半導體的碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）。

由于更高的性能和更高的可靠性，未來汽車應用將是寬帶隙器件的最大市場，一些頭部車企已開始使用 SiC，GaN 也顯示出替代硅器件后來居上的優勢。預測表明，GaN 將在 2020 年之后迎來大規模采用。

GaN 市場的演變

分析表明，早期采用 GaN 的都是需要高性能、高效率的應用，市場較小；工業應用進展緩慢，但生命周期長。2019 年，GaN 市場出現了增長拐點，2021 年后的增長將由汽車應用來推動。

從發明到商用，成為“頂流”要實力說話

歷史總是驚人的相似，故事經常出奇的雷同。1955 年，美國無線電公司的 Rubin Braunstein 發現了砷化鎵（GaAs）與及其他半導體合金的紅外線放射作用；1962 年美國通用電氣的 Nick Holonyak Jr 開發出可見光 LED；全球第一款商用 LED 是 1965 年用鍺材料作成的，單價 45 美元；1972 年有少量 LED 顯示屏用于鐘表和計算器；上世紀 80 年代出現了表面貼裝器件（SMT）LED；LED 真正起飛是在上世紀 90 年代，日本日亞的 Shuji Nakamura 利用氮化鎵制成了藍光 LED，之后白光 LED 啟動了廣泛的 LED 應用時代。記得 2005 年時，一個 LED 燈泡要 20 多元，2012 年 10 月，《中國逐步淘汰白熾燈路線圖》發布，將從 2016 年 10 月 1 日起禁止進口和銷售 15 瓦及以上的白熾燈，現在即使淘寶上還有賣，但是絕大多數人已不會選擇。這就是技術的實力。
第三代半導體很像當年的 LED，電動汽車也差不多。GaN 屬于寬帶隙材料家族，是一種二元化合物，所有也叫化合物半導體材料。其分子由具有纖鋅礦六角形結構的一個鎵原子（III- 基，Z = 31）和一個氮原子（V- 基，Z = 7）組成。

GaN 的原子結構

在功率和效率方面，GaN 比硅具有明顯的優勢。以全部是電子部件的電動汽車為例，從電池到驅動車輪的電機的功率轉換是一個電能轉換為機械能的過程，電機自身的效率至關重要。拋開電池本身的因素，目前功率轉換的效率約為 92%。假如使用 100kW 的電機（實際更高），92%效率意味著熱損耗為 8kW。一個大容量電飯煲的功率也就 1kW，損失的熱量相當高，足夠做熟幾鍋米飯，所以需要很好的冷卻系統（如水冷系統），而這又要消耗更多能量。

如果有一種技術可以將效率提高到 98%又將如何呢？這時熱損耗將減少到 2%，也就是 2kW，這樣就可以用風冷系統來冷卻。這種技術就是 GaN。從硅轉向 GaN 不僅可以降低損耗，還能簡化系統設計，減小整個系統的尺寸和重量，進而又延長了行駛里程。

這個時刻已經到來，GaN 已完成了從發明到商用的進化，并開始了其作為主流功率晶體管技術的里程。

那么，為什么沒有更早采用 GaN 技術呢？Nexperia 公司功率 GaN 技術戰略營銷總監 Dilder Chowdhury 說：“要讓一項新技術從實驗室走出來，應用于大規模生產需要十年甚至更長的時間，GaN FET 就是這種情況。”

Dilder Chowdhury

他回顧道，過去三四十年，GaN 一直都在實驗室中，1990 年以來，雖然這種 III-V 直接帶隙半導體材料已廣泛用于發光二極管（LED），但要進入主流功率晶體管應用并不容易。后來它用到了射頻和無線電領域，如 4G 和 5G 基站。而在功率領域，由于成本原因，GaN 技術的可行性不高。與其說增加成本，不如說人們愿意承擔一些可接受的功率損耗，直到 GaN 技術的成本達到合理價位。現在，硅基氮化鎵（GaN-on-Si）技術提供了更好的成本路線圖。

不同領域的收入增長階段

Dilder Chowdhury 認為，這種顛覆性技術正處于轉折點。它已經過了早期采用階段，進入了增長期，初始量產的產品已用于高性能應用。從生產角度看，雖然制造 GaN 的內部流程有所不同，但都采用了利用硅知識加以完善的相同生產系統。很顯然，GaN 晶圓和硅晶圓不同，這意味著制造方式也不相同。整個行業正在想辦法調整大部分流程來確保順利生產。

功率電子也看“摩爾定律”？

降低功率損耗是整個行業面臨的一大挑戰，一些半導體廠商認為，GaN 是功率半導體的未來。在功率電子的“摩爾定律”面前，GaN 為繼續提升功率密度提供了有效的途徑。與硅和 SiC 相比，GaN 的內在性能優勢在于，它在任何電壓范圍都具有更高的效率和最低的功率轉換損耗，且可在更高頻率下工作。相對成本優勢也不在話下，硅基 GaN 比 SiC 更便宜，系統成本也低于硅。更小、更輕、更涼爽的電源系統推動了功能價值的提升，在器件級也接近硅的平價成本路線圖。看來“摩爾定律”也在起作用。

GaN 與其他半導體的對比

市場趨勢顯示，除了行將爆發的 5G 手持設備和將于 2022 年大幅增長的 RF 市場對 GaN 的需求，2025 年 1200 萬輛的電動汽車市場也將批量應用 GaN Power FET，主要用途是車載充電器、功率轉換器、電源逆變器。

推動 GaN 需求的市場趨勢

雖然，汽車市場商用 GaN 功率器件的份額仍落后于 SiC，但其適用性正在得到證實，在某些方面甚至有后來居上之勢。

克服硅基 GaN 挑戰

在用 GaN 實現主流大功率 FET 之前，有許多挑戰需要克服。首先，從制造角度看，III-V 族半導體的制造成本往往比較高。能夠在大型硅襯底上成功生長出具有適當外延性能的厚 GaN 外延層，是使用標準 150 毫米（6 英寸）晶圓進行生產的關鍵。否則，具有可伸縮性和降低成本意義的真正批量生產就是紙上談兵。

對于 FET 器件本身，解決動態 RDSon 等問題對于實現客戶所需的器件性能至關重要。只有開關品質因數（RDSon x Qgd）和反向恢復電荷（Qrr）大大降低，才能實現高開關頻率，同時實現更低的功耗和更高效的功率轉換。

在批量生產方面，需要借鑒將汽車 MOSFET 測試推向關鍵可靠性測試的 AEC-Q101 認證要求的經驗。這意味著要花大量時間對 GaN 器件進行反復測試，以確保其在整個生命周期都能兌現高可靠性的承諾。

當然，還要從應用拓撲的角度了解硅基 GaN FET 的真正優勢，因此需要表征功能器件并了解其在各種拓撲中的行為，以此建立對 GaN 的理解和內部經驗來支持客戶，使其成為主流的功率半導體技術。

最后，除了效率和質量之外，客戶也十分看重值得信賴的穩定產品供應。制造廠（包括前端、后端的各種封裝工藝）需要經過全面垂直整合，才能完成最優化的規模化生產，并有可能通過投資不斷加大產能。做好了上述每個步驟，才能保證生產工藝和產品的長期穩定，確保客戶對產品供應放心。

GaN 之于汽車應用

社會壓力和減少二氧化碳排放的趨勢正在推動汽車行業加大投資，提高功率轉換效率和電氣化水平。功率 GaN 技術不但表現出極大的性能優勢，還能為電動汽車等功率轉換應用帶來一系列優勢。

汽車行業的電氣化應該是功率 GaN 技術的最大受益者。電動車 / 混合動力汽車（xEV）的功率損耗會影響續航里程，而這正是電動汽車普及的難點所在。因此，高效的功率轉換對于電動汽車的成功至關重要。此外，更加高效的功率轉換可減少使用昂貴冷卻系統的散熱需求，降低車輛重量和系統復雜性，從而潛在地增加續航里程。受益于 GaN 技術的電動汽車系統包括：AC/DC 車載充電器、DC-DC 功率轉換器，因為要使用 12V/48V/400V 電池，它們必須能夠相互兼容；還有為電池充電的插座，以及驅動牽引電動機的 DC/AC 逆變器。所有這些設備都需要高效的功率轉換，也是 GaN 技術的用武之地。

Transphorm 的聯合創始人兼首席運營官 Primit Parikh 在談到與全球領先的汽車行業獨立供應商 Marelli（馬瑞利）合作聯合開發新能源汽車新技術時表示：“汽車和電動汽車代表了 GaN 在功率轉換方面的最大機遇之一，與新電動汽車場景完整電動平臺領先供應商的合作進一步證明了 GaN 解決方案的品質、可靠性、完美制造工藝和整體產品性能。”

Primit Parikh 博士

Marelli 的完整的電動動力總成（e-Powertrain）系統范圍涵蓋 48V 至 800V 電動汽車完整能量流的管理、控制和優化。利用從賽車（F1、Formula E）到乘用車的技術轉移，以及批量生產組件的可靠記錄，加上領先的 GaN 技術，將最大限度地提高功率密度和效率。

Marelli 的電動動力總成系統

在 Primit Parikh 看來，GaN 在電動汽車上的應用還有很多方面，包括大功率線控系統、氣候控制（熱泵）、空調（AC 電機）、12V 電池充電，使用制動卡鉗的駐車制動器和懸架控制等。

GaN 在電動汽車中的應用

效率的根本問題在于開關損耗，每個開關周期中都會出現電流電壓交越，這就會產生交越損耗，在轉換過程中還會發生干擾及其損耗。如果能夠使電壓降至零，同時電流升至最高，電壓電流交越就最小，那么開關損耗將會接近零。這樣就可以最大程度地提高效率和延長電池使用時間，實現大約 10%的改進。這就是 GaN 的作用。高功率 GaN 能夠顯著降低開關損耗，因此同樣的電池可以行駛更長時間。

舉個例子，如果將 200kW 逆變器效率從 95%提高到 99%，就可以將滿載功率損耗從 10kW 降低到 2kW，僅為原來的五分之一。這樣，不但減少了 8kW 損耗（提高有用牽引功率），還不必使用昂貴冷卻系統，同時減少冷卻能量消耗及冷卻系統的尺寸和重量。

目前，功率 GaN FET 已克服了現有技術的許多限制，如基于硅的絕緣柵雙極晶體管（IGBT）和硅超結（SJ）解決方案。功率 GaN 沒有反向恢復損耗，可實現非常低的開關損耗（高速開關特性），更高臨界電場和更高遷移率可以實現更低的導通損耗。在高電壓下的低導通電阻可以提供出色的開關品質因數。

無論是 AC/DC PFC 級、DC-DC 轉換器還是牽引逆變器，大多數拓撲的基本構建模塊都是半橋。因此，在簡單升壓轉換器中比較 GaN FET 與 Si FET 時，GaN FET 的表現更為出色。

在汽車中用功率 GaN 替代傳統方案，以更簡單的控制方案就能充分發揮器件數量少和高效率的優勢。GaN 功率晶體管更快的開關速度和更高的工作頻率有助于改善信號控制，為無源濾波器設計提供更高的截止頻率，降低紋波電流，從而縮小電感、電容和變壓器的體積，進而構建體積更小的緊湊型系統解決方案，最終實現成本節約。

半導體廠商競逐高功率 GaN 藍海市場

目前，有很多公司在推廣 SiC 技術，這種材料的生產較 GaN 更為成熟。但另一些廠商卻與 GaN 結下了不解之緣，他們在努力加速超越 SiC。他們從事新技術，探索全新領域，是藍海市場的先驅者，因為沒有人來過這里。

功率 GaN 已在主流消費市場應用，其他應用還是藍海

這里介紹幾家比較典型的 GaN 技術公司，他們是你中有我，我中有你，真的是剪不斷，理還亂！

Cree（科銳公司）主打專利授權：第三代半導體的領軍企業，SiC 和 GaN 都做。Cree 認為，GaN 存在一些技術挑戰，特別是難以生長 GaN 外延膜。這是由于在尺寸和純度方面，難以制造用于同質外延的天然 GaN 襯底。因此，需要用異質外延生長的另一種襯底。這種材料不僅必須具有高熱導率，還必須與 GaN 晶格低失配。

該公司稱，已經在硅、SiC 和金剛石襯底上制造了 GaN 器件，但目前只有 SiC 才能最好地滿足所有要求。相比其他材料，緊密匹配的晶格結構意味著 GaN 外延可以在 SiC 上以更低的位錯密度生長，減少了泄漏并提高了可靠性。另外，硅既不匹配 GaN 的晶格結構也不匹配熱性能。翹曲會導致更高的缺陷密度及可靠性和可制造性問題。因此，碳化硅基 GaN（GaN-on-SiC）不僅克服了 GaN 制造方面的挑戰，而且憑借其卓越的價值主張，在 4G、5G 基礎設施中主導了 GaN 市場。不過，它還是將包括汽車應用高功率 GaN 器件的專利大范圍授權給了在某一領域更有優勢的公司。

2013 年，Cree 將 GaN 器件專利非獨家授權給 Transphorm，涵蓋 GaN 材料、HEMT 和肖特基二極管的設計和加工技術的各個方面。當時 GaN HEMT 器件已經廣泛用于射頻市場，授權 Transphorm 旨在利用其功率轉換市場的優勢進入新的領域。彼時，Cree 專注于 LED 照明及 GaN 射頻收發器技術。
2016 年，英飛凌欲以 8.5 億美元現金收購 Cree 旗下 Wolfspeed 的 Power 和 RF 部門；翌年，因化合物半導體的重要性沒有通過美國 CFIUS 的美國國家安全風險審查而告吹。

時至今日，Wolfspeed 的功率業務還是以 SiC 為主，為電動汽車提供高壓、高溫、降低耗能的組件。至于 GaN，只提供代工服務，而且是碳化硅基 GaN MMIC 技術，包括設計輔助、測試和支持，幫助客戶以更快的周期、更高的首過設計成功率和更高的可靠性實現從最初開發到批量生產的規格。

目前，除了高規格產品使用碳化硅基 GaN 技術外，具有成本優勢的還是硅基 GaN，特別是車用、智能手機等民用市場。

Wolfspeed 只提供碳化硅基 GaN 代工服務

2018 年，Cree 還將 GaN 功率器件專利組合非排他性授權給了 Nexperia，包括超過 300 項已授權美國和國外專利，涵蓋 HEMT 和 GaN 肖特基二極管等諸多創新，但不包括技術轉讓。

Cree 聯合創始人兼 Wolfspeed 首席技術官 John Palmour 表示：“Cree 創立以來，對包括 GaN 和 SiC 在內的新型化合物半導體材料進行了深入研究，并利用其獨特性能開發出新型器件。基于 Cree 數十年創新成果的器件，有助于實現新型電源管理和無線系統的市場導入。為了加速這類新市場的增長，Cree 正在對用于電源管理系統的 GaN 功率器件專利開展授權。”

John Palmour

Transphorm 專利組合支持高壓 GaN：公認的 GaN 技術領導者，從 Cree 獲得了 GaN 技術授權，其重點是為高壓功率轉換應用提供最高效能、最高可靠性的 GaN 半導體，優勢是擁有與汽車行業（尤其是日本）直接合作的成功經驗。

公司創始人 Primit Parish 博士和 Umesh Mishra 早年創辦并成功運營了一家名為 Nitres 的 GaN LED 公司，后被 Cree 收購，兩人又于 2007 年聯合創辦了 Transphorm 公司。

早在 2012 年，該公司就開發出第一代硅基 GaN 晶圓，到 2020 年已是第四代 GaN 平臺，與前幾代相比，其在性能、可設計性和成本方面都有明顯進步，第四代及以后的平臺都將被稱為 SuperGaN 技術。Transphorm 希望其 SuperGaN FET 像硅基超結 MOSFET 的發展一樣，通過提供更出色的性能，提高用戶的整體投資回報率，在功率等級方面創造新的設計機會。

Transphorm 的 GaN 技術平臺

該公司擁有行業最強的 GaN IP 地位，2010-2015 年與富士通（Fujitsu）和古河電工（Furukawa Electric）合作，包括一些專利轉讓項目。通過這樣的“捷徑”，該公司擁有了 1000 多項全球專利和授權，專利組合（自有+獨家授權）價值超過 2.25 億美元。正如 Primit Parikh 所說：“我們今天在為所有希望從 GaN 功率電子市場戰略優勢中獲益的人提供夢寐以求的專利組合。”

1000 多項全球專利和授權

在客戶批量生產的高性能功率轉換器和逆變器產品中，Transphorm 已經部署了超過 25 萬片 650V GaN FET，包括 600V 至 900V 和 JEDEC 至 AEC-Q101 GaN 產品組合。2020 年 2 月，該公司與優先客戶簽署聯合開發協議，汽車用 GaN 新產品的路線圖和技術合作浮出水面。

Transphorm 的汽車級 AEC-Q101 標準 GaN 器件是 FETTP65H035WSQA，其鑒定測試期間的溫度高達 175℃。該器件采用標準 TO-247 封裝，典型導通電阻為 35mΩ。與其前代產品 49mΩ GenII TPH3205WSBQA 一樣，該器件適用于插入式混合動力電動汽車和電池電動汽車的 AC/DC OBC、DC-DC 轉換器和 DC/AC 逆變器系統，可實現 AC/DC 無橋圖騰柱 PFC 設計。

3.3kW 電動汽車 OBC 200kHz 相移全橋參考設計

2018 年 4 月，Transphorm 與 Nexperia 的投資和授權合作協議到期，后者支付 5000 萬美元以換取股權、IP 授權、轉讓和汽車市場準入，形成了更好的汽車市場滲透，并創造了第二個 GaN 來源。

沒錯，任何新技術被市場接受的關鍵在于重要細分市場中領先客戶的采用，加上能夠支持隨后大批量生產的更多強大供應商的出現，這樣才能建立和增強對供應鏈的信心，真正獲得 GaN 節能的好處。

Nexperia（安世半導體）專攻車規器件：全球汽車行業獨立供應商，前身是恩智浦的標準產品事業部，2017 年初獨立運營，Transphorm 是其唯一參股公司；2019 年收入 150 億美元，同年被聞泰科技收購。Nexperia 在大批量生產滿足汽車行業嚴格標準（AEC-Q100/Q101）的可靠和必需的半導體元件方面處于領先地位。

大約十年前，還是 NXP 的一部分時，Nexperia 即已開始研究機械穩定的化合物半導體 GaN，探索其在光電子學中的應用，以及為高頻和高功率設備提供許多顯著性能的優勢。研究發現，GaN 不僅可以輕松處理比塊狀硅高得多的電壓，而且還具有很高的熱容和導熱率。因此，它是 650V 大功率 FET 的理想技術。

2019 年 11 月，是 650V GaN FET 的理想時間，Nexperia 正式進入高壓領域，邁出了滿足大功率 FET 不斷增長需求的第一步。之后，公司繼續朝著包括表面貼裝版本在內的汽車認證器件的方向發展，以硅基 GaN FET 所提供的更高功率密度和效率推動汽車動力總成的電氣化。其電動汽車用 GaN 技術的第一款產品是 GAN063-650WSA。

同期推出的 NX-HB3500EV 評估板是采用 Nexperia 功率 GaN FET 的半橋轉換器電路，提供了簡單的降壓或升壓轉換器元件。它可以在穩態 DC-DC 轉換器模式下使用，輸出功率高達 3.5kW。在升壓模式下，以 200VDC 輸入和 400VDC 輸出，在 50kHz 和 100kHz 開關頻率下測得的效率非常優異。

200V:400V 升壓轉換器的效率

Dilder Chowdhury 表示：“元件的生產必須為客戶創造最高的經濟效益。我們是一家以汽車元器件為主要業務的公司，因此我們推出的任何新技術都必須保持最高品質。我們在質量上絕不容許任何妥協。”

他認為，相對于硅技術而言，高功率 GaN 是一種新興技術。這種技術面臨著諸多挑戰：從外延材料到晶圓處理，再到批量生產。Nexperia 采用內部質量流程，在每個創新階段和生產環節都保持相同的質量和可靠性水準；同時采用自有的 SMD 封裝 CCPAK（銅夾片封裝技術），以保持對生產流程的完全控制和實現批量生產。

ST（意法半導體）打造量產能力：為增加 GaN 技術積累實力，將產品組合擴展至 GaN 領域，2020 年 3 月，收購了法國氮化鎵創新企業 Exagan 多數股權。此前 ST 已在建設一條新產線，將于 2020 年投產，用于生產包括硅基 GaN 異質外延在內的產品。

2018 年 ST 與 CEA-Leti 展開功率 GaN 合作，主要涉及常關型 GaN HEMT 和 GaN 二極管的設計和研發，以充分利用 CEA-Leti 的知識產權和 ST 的專業知識。ST 在位于法國的 CEA-Leti 中試線上研發產品，在技術成熟后轉移至 ST 在法國的 200 毫米量產線。

ST 不斷加大 GaN 的投入

Exagan 何以進入 ST 的法眼？憑借的是提供最佳器件性能的輕松技術集成。其外延工藝、產品開發和應用經驗有助于拓寬并推進 ST 的汽車、工業和消費用功率 GaN 的開發規劃和業務。Exagan 成立于 2014 年 4 月，是一家衍生公司，由兩名原始投資者 Soitec 和 CEA-Leti 及四只投資基金支持。該公司致力于研發體積更小、能效更高的功率轉換器，推進功率電子行業從硅技術向硅基 GaN 技術轉變。Exagan 的 GaN 功率開關是為標準 200 毫米晶圓設計的。其獨特的垂直整合業務模型可確保其產品在最終應用中針對可靠性和性能進行優化，包括控制材料的生長、器件設計、在標準大批量 CMOS 晶圓廠中進行處理、封裝、應用測試和支持。這些都有助于其兌現提供基于 GaN 的解決方案，使運營效率和系統成本超過硅器件極限的承諾。

Exagan 聯合創始人、總裁兼首席執行官 Frédéric Dupont 表示：“自從硅 MOSFET 發明以來，作為對功率電子路線圖的最大顛覆，GaN 晶體管正在重新發明功率轉換器的設計方式，以提高效率和更好地利用能源。”

Frédéric Dupont

他表示，晶體管是功率轉換的核心，當今轉換器的尺寸和效率正受到晶體管的限制。當開關頻率增加時，硅功率晶體管的性能會下降，開關損耗增加。這限制了轉換器設計人員創建可在所有功率范圍內使用的高級電路架構。憑借來自先進材料全球領導者 Soitec GaN 技術的十年研發經驗，GaN 可以利用更少無源元件的創新轉換器設計來提高效率，減小尺寸和材料清單來構建新的轉換器，從而經濟地滿足新應用需求。

制造過程全面控制是實現成本競爭力和質量的保證

1996 年，ST 即已成為寬帶隙材料市場的主要參與者之一，現在正利用 650V 和 100V 常關型 GaN HEMT 器件來擴展寬帶隙功率產品組合。通過上述收購及合作，未來 ST GaN 產品將瞄準汽車電氣化環境。ST 的 10 年長期供貨計劃也將確保持續穩定地向客戶提供所選器件。

VisIC 不斷挑戰功率密度：VisIC Technologies 是一家以色列公司，由氮化鎵技術專家創立，旨在開發和銷售基于 GaN 的先進功率轉換產品。其開發并推向市場的基于 GaN 的晶體管和模塊專門針對混合動力和電動汽車、數據中心、可再生能源和工業電機的高功率轉換應用。VisIC 已獲得 GaN 技術的主要專利，還有其他專利正在申請中。

VisIC 銷售和營銷高級副總 Ran Soffer 認為，GaN 將取代當前在功率轉換系統中使用的大多數硅基產品。由于充電站基礎設施受限于各種條件，汽車中 OBC 至關重要。汽車制造商也正在努力使 OBC 冷卻系統的成本、尺寸和重量最小化。這種趨勢與 GaN 技術的優勢非常吻合，尤其是 VisIC 的 D3GaN 解決方案。由于 GaN 可以快速開關且損耗最低，因此無源元件可以減少一半或 1/3。更小、更低成本、更高效的系統可以擴大電動汽車里程；低開關損耗使冷卻系統更簡單，甚至可以采用風冷的 OBC 解決方案，從而降低了汽車成本。

2018 年，VisIC 推出一款新的水冷半橋評估板，展示了使用其全 GaN 開關（先進低損耗開關）實現的性能。V22N65A-HBEVB 評估平臺可以在任何半橋拓撲中運行，僅使用無需并聯的單個 V22N65A 晶體管，進行了高達 9kW 降壓和升壓拓撲的測試，為混合動力和電動汽車 OBC 提供了高功率密度的選擇。

2019 年，該公司為快速增長的電動汽車市場提供了一款 6.7kW OBC 參考設計。其尺寸和重量分別僅為 2.3L 和 4.5kg，可提供近 3kW/L 的功率密度，再次證明了 GaN 開關的顛覆能力。與當今市售產品相比，其功率密度提高了 3 倍；在較寬負載范圍效率高達 96％以上，有助于汽車制造商降低功率損耗，并為電動車主提供更快的充電速度。Ran Soffer 表示：“這款參考設計可以幫助客戶加快設計，快速高效地將一流的 xEV 充電器投入市場，也讓電動汽車更高效、更輕、更便宜。”

6.7kW OBC 參考設計

人們普遍認為，GaN 技術與其他寬帶隙技術相比成本較低，GaN 技術將主要用于 400V 電源總線，而 SiC 通常用于更高功率的高壓 800V 電源總線。2020 年 3 月，VisIC 最新的 100kW 逆變器參考設計證明 GaN 技術也可以用于 800V-900V 電源總線，從而為高壓電源總線提供了最經濟有效的解決方案。

100kW 逆變器參考設計

基于 D3GaN 技術的 100kW 逆變器參考設計采用 VisIC 高熱效率、高閾值電壓、快速開關和易于并聯的 SMD 封裝 GaN 器件，為 EV 提供了最具成本效益、高效且可靠的電動汽車逆變器解決方案，工業、光伏等領域也可以使用。

由于 D3GaN 器件的開關損耗低，在 40kHz 開關頻率下，該參考設計估計的峰值效率可達 99.3%。帶液體冷卻散熱器的總尺寸為 26.9 x 21.4 x 3.5cm3，包括液體冷卻在內，功率密度為 50kW/L，總重量約為 2.5 公斤。

VisIC 創始人及首席技術官 Gregory Bunin 表示:“我們與德州大學的合作展示了專業的電源設計和創新的系統解決方案，這一突破還將使 800V 電源總線的電動汽車受益于 GaN 的低成本和高效率，并提供經濟高效的電動汽車，從而使我們的地球更綠色、更清潔。”

Gregory Bunin

參與合作研發的德州大學奧斯汀分校半導體功率電子中心主任 Alex Huang 博士說：“以前，GaN 在實現充電器的高功率密度方面表現出了優越的性能，得益于 VisIC GaN 優越的封裝理念和低損耗，我們相信在牽引逆變器等大功率應用中也可以實現更高功率密度。”

英飛凌 GaN 仍是中小功率：上面說過，如果英飛凌收購 Cree 旗下 Wolfspeed 的 Power 和 RF 業務獲得成功，那又當別論。為了補齊產品線，2015 年英飛凌收購國際整流器公司（IR），在硅基 GaN 領域邁了一大步，但仍需要松下的 HD-GIT 專利許可來鞏固收購獲得的成果，而且 IR 的技術只適合中、低功率應用。這恐怕也是到 2018 年底英飛凌量產的 CoolGaNTM 400V 和 600V HEMT 只適合低功率 SMPS 和電信整流器應用的原因。當然，英飛凌的大功率 SiC 還是風生水起。

CoolGaNTM 的主要應用領域

未來規劃

最后，半導體行業的發展歷史表明，人們不會一下就放棄使用舊技術，GaN、SiC、Si 三種技術將會共存。但在新的領域，舊技術無法做到的事情將成為可能。況且，從電池到車輪的直接功率轉換器可能需要幾年時間才能推出，時下最重要的是向世界展示 GaN 的優勢。

從企業層面看，要啟動和保持獲利性的增長，就必須超越產業競爭，開創全新市場，包括突破性增長業務。GaN 就是一個有待探索的新知市場空間，尚無惡性競爭，是充滿利潤和誘惑的新興市場，值得深挖！但是，我們也必須看到，國外一些領先企業對第三代半導體技術已耕耘了幾十年，形成了完整的專利鏈和產業鏈，國內企業要想彎道超車需要做出更大的努力。

審核編輯 黃昊宇