氮化鎵“上車(chē)”節(jié)點(diǎn)的到來(lái)，是近了還是遠(yuǎn)了？

在本次北京車(chē)展，上海電驅(qū)動(dòng)亮相了一款氮化鎵的功率模塊產(chǎn)品。

據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工作人員介紹，采用氮化鎵器件開(kāi)發(fā)的電機(jī)控制器，其開(kāi)關(guān)頻率有著比碳化硅更高的優(yōu)勢(shì)，且開(kāi)關(guān)損耗也更小，因此氮化鎵器件的應(yīng)用在提升電機(jī)控制器的功率密度和效率方面相比于碳化硅模塊更加具有優(yōu)勢(shì)。

同時(shí)，也可以解決目前電機(jī)控制器產(chǎn)品功率密度低、效率低的問(wèn)題，還能保持電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。

根據(jù)型號(hào)V08TC65S1A2，不難發(fā)現(xiàn)這是來(lái)自VisIC的V08 200A – D3GaN? 功率開(kāi)關(guān)。

D3GaN（直接驅(qū)動(dòng) D-模式）的V08TC65S1A2 功率開(kāi)關(guān)將獲得專(zhuān)利的高密度橫向 GaN 功率晶體管集成到常關(guān)產(chǎn)品中，具有極低的 RDS(ON) 和異常高效的開(kāi)關(guān)性能。

D3GaN 技術(shù)采用了 VisIC Technologies 的創(chuàng)新技術(shù)--隔離式高功率 SMD 封裝，在要求高功率、高效率、低容量和低成本的應(yīng)用中非常有效。集成的安全功能可確保系統(tǒng)啟動(dòng)和關(guān)閉期間的安全運(yùn)行，同時(shí)不會(huì)影響 GaN 晶體管的開(kāi)關(guān)性能。

除此之外，早在2021年11月，上海電驅(qū)動(dòng)與安世半導(dǎo)體聯(lián)合研制的新能源汽車(chē)氮化鎵功率組件及電機(jī)控制器第四屆進(jìn)博會(huì)上亮相。

在相同的工況下，對(duì)比傳統(tǒng)的硅基IGBT電機(jī)控制器，其效率提升非常明顯：

◎基于氮化鎵的電機(jī)控制器最高效率可到99.34%，效率大于90%的面積占比為93.58%；

◎基于硅基IGBT的電機(jī)控制器最高效率可到98.3%，效率大于90%的面積占比為83.94%。

01.

氮化鎵上車(chē)，進(jìn)行到哪一步了？

氮化鎵商業(yè)化得最好的應(yīng)用是消費(fèi)電子快充賽道，另外在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用逐漸開(kāi)始起來(lái)，但在電動(dòng)汽車(chē)上的應(yīng)用目前還處于發(fā)展階段。

目前，氮化鎵在汽車(chē)上的應(yīng)用，主要還是在于座艙內(nèi)快充以及激光雷達(dá)等場(chǎng)景。

氮化鎵器件的高效率和緊湊尺寸使其成為車(chē)載激光雷達(dá)系統(tǒng)的理想選擇。2023年，英諾賽科研發(fā)了全球首款用于車(chē)載激光雷達(dá)的氮化鎵芯片，從工業(yè)級(jí)應(yīng)用進(jìn)軍到車(chē)規(guī)級(jí)應(yīng)用，該芯片已在頭部車(chē)企的激光雷達(dá)中實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，并成功進(jìn)入終端市場(chǎng)。

除了車(chē)載激光雷達(dá)應(yīng)用，近兩年，氮化鎵在汽車(chē)市場(chǎng)的主要驅(qū)動(dòng)力將是電動(dòng)汽車(chē)車(chē)載充電器（AC-DC轉(zhuǎn)換）以及DC/DC轉(zhuǎn)換器（電壓范圍為48V至400V）。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，臨近 2030 年，OEM 廠商將開(kāi)始考慮將 GaN 集成到主逆變器（650-800V）中。

在車(chē)載充電器（OBC）方面，氮化鎵功率半導(dǎo)體大幅降低開(kāi)關(guān)功率耗損與耗散，進(jìn)而提升OBC的轉(zhuǎn)換效率，不僅有助提升電動(dòng)車(chē)充電效率，并兼具成本效益。

此外，氮化鎵極低開(kāi)關(guān)損耗可簡(jiǎn)化所需被動(dòng)組件的數(shù)量與散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)，縮減車(chē)載充電器整體尺寸及重量。

GaN Systems此前就推出了11kW/800V 氮化鎵車(chē)載充電器設(shè)計(jì)，在系統(tǒng)尺寸、功率密度、成本效益、能源效率、熱性能及碳足跡等各方面的優(yōu)化。

與采用碳化硅 (SiC) 晶體管產(chǎn)品相比，提高了 36% 功率密度，降低了至少 15% 整體物料清單 (BOM) 成本，AC/DC 階段最高轉(zhuǎn)換效率 >99%，DC/DC 階段最高轉(zhuǎn)換效率 >98%。另外，這種設(shè)計(jì)具有較小總功率耗損、極低閘極振鈴現(xiàn)象，并且采用金屬絕緣基板 (IMS) 設(shè)計(jì)優(yōu)化熱性能。

此外，Transphorm總裁兼CEO Primit Parikh博士曾表示，氮化鎵將于2024年應(yīng)用于電動(dòng)汽車(chē)，首先是2輪和3輪的電動(dòng)車(chē)輛，然后是4輪的電動(dòng)汽車(chē)，尤其是電動(dòng)車(chē)的充電應(yīng)用。

2021年3月，安世半導(dǎo)體與聯(lián)合汽車(chē)電子（UAES）也達(dá)成合作，雙方將在車(chē)載充電器、高壓DC-DC直流轉(zhuǎn)換器等項(xiàng)目中開(kāi)展研發(fā)合作。

車(chē)載激光雷達(dá)、車(chē)載充電器（OBC）、DC/DC轉(zhuǎn)換器方面“漸入佳境”，氮化鎵技術(shù)能否上電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力總成的主逆變器呢？

除了前文提到了與上海電驅(qū)動(dòng)的合作之外，安世半導(dǎo)體在2020 年就與里卡多（Ricardo）合作開(kāi)發(fā)了基于 GaN 的 EV 逆變器設(shè)計(jì)。

以色列的 VisIC Technologies 與德國(guó)汽車(chē)供應(yīng)商 ZF 合作開(kāi)發(fā)用于 400 V 傳動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)用的 GaN 半導(dǎo)體；緊接著，2021年12月，VisIC已開(kāi)始和汽車(chē)動(dòng)力總成技術(shù)公司hofer powertrain共同開(kāi)發(fā)用于 800V汽車(chē)應(yīng)用的氮化鎵逆變器；2023年9月，VisIC又與化合物半導(dǎo)體材料供應(yīng)商IQE合作開(kāi)發(fā)用于電動(dòng)汽車(chē)逆變器的高可靠性D型GaN功率產(chǎn)品。

集邦咨詢(xún)化合物半導(dǎo)體分析師表示，一些廠商在致力于開(kāi)發(fā)用于汽車(chē)主逆變器的氮化鎵功率元件，不過(guò)氮化鎵的汽車(chē)應(yīng)用目前還是處于一個(gè)早期的階段，預(yù)計(jì)到2025年左右，會(huì)小批量地滲透到低功率的OBC和DC-DC中，再遠(yuǎn)到2030年，OEM或考慮將氮化鎵引入到逆變器。

02.

收購(gòu)與破產(chǎn)并存，產(chǎn)業(yè)鏈整合正當(dāng)時(shí)

出于技術(shù)整合與創(chuàng)新、市場(chǎng)擴(kuò)張、產(chǎn)品線豐富等戰(zhàn)略布局方面的考慮，不少企業(yè)通過(guò)收購(gòu)的方式，以加強(qiáng)自身在氮化鎵方面的競(jìng)爭(zhēng)力。

最典型的就是英飛凌和瑞薩電子兩家企業(yè)。

2023年10月，英飛凌以8.3億美元完成對(duì)GaN Systems的收購(gòu)，顯著推進(jìn)了英飛凌的氮化鎵技術(shù)路線圖。

早在2015年，英飛凌就通過(guò)收購(gòu)International Rectifier獲得了與GaN功率器件相關(guān)的產(chǎn)品/技術(shù)；同年，英飛凌宣布與松下合作開(kāi)發(fā)GaN功率半導(dǎo)體，開(kāi)發(fā)出第一代聯(lián)合開(kāi)發(fā)產(chǎn)品“CoolGaN”，采用常關(guān)型GaN-on-Si晶體管結(jié)構(gòu)；2021年，英飛凌與松下簽訂合同，共同開(kāi)發(fā)和制造第二代產(chǎn)品，并宣布計(jì)劃在2023年上半年推出650V耐壓GaN HEMT上市。

無(wú)獨(dú)有偶，2024年1月，瑞薩電子宣布與全球氮化鎵（GaN）功率半導(dǎo)體供應(yīng)商Transphorm達(dá)成最終協(xié)議。根據(jù)協(xié)議，瑞薩子公司將以每股5.10美元現(xiàn)金收購(gòu)Transphorm所有已發(fā)行普通股，該公司估值約為3.39億美元。

Transphorm是美國(guó)一家GaN功率器件生產(chǎn)商，致力于設(shè)計(jì)、制造和銷(xiāo)售用于高壓電源轉(zhuǎn)換應(yīng)用的GaN功率半導(dǎo)體器件。在車(chē)用領(lǐng)域，Transphorm的GaN產(chǎn)品在業(yè)內(nèi)最早通過(guò)車(chē)規(guī)級(jí)認(rèn)證，擁有豐富的產(chǎn)品系列。

相反，Wolfspeed為進(jìn)一步聚焦碳化硅（SiC）材料和功率器件領(lǐng)域，于2023年8月將自身的射頻業(yè)務(wù)以1.25億美元（約9億元人民幣）出售給MACOM。2023年12月，MACOM完成對(duì)Wolfspeed射頻業(yè)務(wù)的收購(gòu)。

但對(duì)于MACOM而言，該射頻業(yè)務(wù)與MACOM的產(chǎn)品組合高度互補(bǔ)，并創(chuàng)造了一個(gè)引人注目的組合技術(shù)解決方案。MACOM將接管Wolfspeed位于北卡羅來(lái)納州的100mm GaN晶圓廠（RTP）的控制權(quán)。

進(jìn)一步看，此次收購(gòu)還包括Wolfspeed位于亞利桑那州、加利福尼亞州和北卡羅來(lái)納州的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)和相關(guān)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)資產(chǎn)，以及位于加利福尼亞州和馬來(lái)西亞的后端生產(chǎn)能力。此外，MACOM將獲得強(qiáng)大的知識(shí)產(chǎn)權(quán)組合的轉(zhuǎn)讓或許可，其中包括1,400多項(xiàng)與RF業(yè)務(wù)相關(guān)的專(zhuān)利。

當(dāng)然，幾家歡喜幾家愁，今年就有不少氮化鎵企業(yè)面臨著關(guān)閉或出售。

今年1月消息，美國(guó)總投資超過(guò)人民幣10億元的GaN企業(yè)NexGen Power Systems破產(chǎn)倒閉，旗下總投資超過(guò)1億美元的晶圓廠也已關(guān)閉。據(jù)披露，倒閉的原因是難以獲得風(fēng)險(xiǎn)融資，公司運(yùn)營(yíng)已經(jīng)舉步維艱。

NexGen成立于2017年，是一家專(zhuān)注開(kāi)發(fā)垂直GaN on GaN器件的企業(yè)，在美國(guó)紐約州擁有66000 平方英尺GaN FAB1工廠，擁有20000平方英尺潔凈室，用于 GaN 外延生長(zhǎng)、材料表征、器件設(shè)計(jì)和加工等。

值得一提的是，NexGen認(rèn)為，將垂直氮化鎵逆變器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)引入電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)可以幫助汽車(chē)制造商提高續(xù)航里程、減輕重量并提高系統(tǒng)可靠性。

今年3月消息，GaAs Labs投資的一家新加坡射頻GaN芯片供應(yīng)商Gallium Semiconductor宣布倒閉。不過(guò)今年4月消息，該公司似乎找到了新買(mǎi)家。Guerrilla RF宣布，完成對(duì) Gallium Semiconductor GaN 器件產(chǎn)品組合的戰(zhàn)略收購(gòu)。

同樣是GaAs Labs投資的一家GaN公司，Mission Microwave也被曝出售給美國(guó)私募股權(quán)投資公司J.F. Lehman & Company的子公司。

據(jù)悉，Mission Microwave是一家射頻GaN模組企業(yè)。Mission Microwave利用GaN晶體管、獨(dú)特的功率組合技術(shù)和新穎的全系統(tǒng)設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)出了 X、Ku 和 Ka 頻段單元，服務(wù)于地面、機(jī)載、海上和航天等政府和商業(yè)客戶(hù)。

同樣是今年3月消息，美國(guó)垂直GaN器件廠商Odyssey在官網(wǎng)宣布，他們已與客戶(hù)簽署最終協(xié)議，將以 952 萬(wàn)美元（約合人民幣0.67億）現(xiàn)金，將其大部分資產(chǎn)出售給一家大型半導(dǎo)體公司，目前買(mǎi)家信息處于保密狀態(tài)。

03.

結(jié)語(yǔ)

一方面是收購(gòu)整合，一方面是破產(chǎn)出售，無(wú)不映射出氮化鎵現(xiàn)階段的“野蠻生長(zhǎng)”與“混沌開(kāi)局”。

從產(chǎn)業(yè)鏈端看，雖然氮化鎵目前在下游車(chē)企中的接受程度較低，但也不乏有“先行者”的超前布局。2021年，寶馬就與GaN Systems簽訂了產(chǎn)能協(xié)議，GaN Systems為寶馬汽車(chē)提供高性能GaN功率晶體管，合作金額高達(dá)1億美元。

對(duì)于Tier1 而言，他們的“合作”、“應(yīng)用”等動(dòng)作也均有銜接推動(dòng)作用。除了上文提到的上海電驅(qū)動(dòng)之外，威睿與納微半導(dǎo)體合作建立實(shí)驗(yàn)室，將采用納微的氮化鎵以及碳化硅產(chǎn)品打造電動(dòng)汽車(chē)高壓產(chǎn)品；另外，欣銳科技也與納微半導(dǎo)體聯(lián)合打造的新型研發(fā)實(shí)驗(yàn)室，納微半導(dǎo)體不僅為欣銳科技提供先進(jìn)、可靠的下一代功率半導(dǎo)體器件，還將從產(chǎn)品規(guī)格和設(shè)計(jì)的初始階段開(kāi)始，參與到系統(tǒng)級(jí)的研發(fā)中，到建設(shè)測(cè)試平臺(tái)和定制封裝解決方案，為新能源汽車(chē)打造效率更高、功率密度更高、可靠性更好及成本更低的電源系統(tǒng)。

對(duì)于氮化鎵器件企業(yè)而言，針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)景與需求，選擇發(fā)展不同的設(shè)計(jì)路線，提高器件一致性與可靠性。目前全球范圍已有十余家GaN功率器件供應(yīng)商，其中英飛凌（GaN Systems）、Navitas、英諾賽科、EPC、GaN Power、成都氮矽等采用的是E-Mode/直驅(qū)設(shè)計(jì)；瑞薩Transphorm、PI、TI、Nexperia、鎵未來(lái)以及大連芯冠等采用的是D-Mode/Cascode設(shè)計(jì)。因此，選擇哪種設(shè)計(jì)更好取決于具體的應(yīng)用場(chǎng)景和需求，很難一概而論。

對(duì)于晶圓制造企業(yè)而言，能否借鑒碳化硅，通過(guò)“長(zhǎng)大”而降本。德州儀器 (TI) 一位高管早前表示，該公司正在將其多個(gè)晶圓廠的 6 英寸氮化鎵 (GaN) 芯片生產(chǎn)轉(zhuǎn)向 8 英寸晶圓生產(chǎn)。更大的晶圓意味著每個(gè)晶圓上有更多的芯片，此舉可能會(huì)導(dǎo)致氮化鎵芯片價(jià)格全面下跌，以此進(jìn)一步降本。

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