芯耀
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2024年10月，特斯拉技術(shù)專家接受了國外咨詢機(jī)構(gòu)的調(diào)研，其深度解析了氮化鎵技術(shù)在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用前景與挑戰(zhàn)，同時(shí)還對D-mode / E-mode/直驅(qū)/單片集成等技術(shù)路線以及氮化鎵主流玩家進(jìn)行了點(diǎn)評。
“行家說三代半”對該訪談進(jìn)行了全文翻譯，由于整個(gè)采訪多達(dá)7000字，為此這篇訪談將分拆成2篇發(fā)布。
今天發(fā)布的是第一篇，特斯拉技術(shù)專家核心觀點(diǎn)如下：
●?GaN車載應(yīng)用已成趨勢：DC-DC轉(zhuǎn)換器、車載充電器（OBC）將率先采用GaN方案，功率等級逐步從消費(fèi)級（幾十瓦）向汽車級（幾十千瓦）躍升。
●?高頻開關(guān)是核心優(yōu)勢：GaN高頻特性（開關(guān)頻率可達(dá)100kHz以上）在OBC、DC-DC中價(jià)值顯著，但在主驅(qū)逆變器（10kHz低頻場景）難敵SiC。
●?成本潛力巨大：硅基GaN供應(yīng)鏈成熟，長期成本目標(biāo)接近傳統(tǒng)硅方案，但短期需平衡量產(chǎn)規(guī)模與可靠性驗(yàn)證投入。
●?應(yīng)用場景持續(xù)擴(kuò)展：住宅儲能、充電樁及混動車（PHEV/HEV）的電氣化升級將成為GaN新戰(zhàn)場。
●?可靠性是最大門檻：GaN因橫向器件結(jié)構(gòu)和柵極脆弱性，需通過量產(chǎn)數(shù)據(jù)積累解決車規(guī)級可靠性問題，SiC因垂直結(jié)構(gòu)優(yōu)勢已搶占先機(jī)。
氮化鎵“上車”征程：
機(jī)遇、挑戰(zhàn)與市場節(jié)奏
問題1：GaN器件產(chǎn)品已經(jīng)被銷售到各種終端市場，或許明年及以后，我們將看到車載DC-DC轉(zhuǎn)換器和車載充電器（OBC）的氮化鎵采用率也會提高，您認(rèn)為這樣看待氮化鎵的市場需求的方式是否正確？您預(yù)計(jì)從傳統(tǒng)的硅功率解決方案轉(zhuǎn)向氮化鎵的速度有多快？
特斯拉專家：沒錯(cuò)，這就是趨勢。
與碳化硅和傳統(tǒng)的硅相比，氮化鎵是所謂的橫向器件，因此它的功率比硅低，而且可靠性（尤其是柵極結(jié)構(gòu)方面）也比較脆弱，這就是為什么GaN最初被應(yīng)用于消費(fèi)電子的原因。
手機(jī)、筆記本電腦、電視等產(chǎn)品的離線電源對可靠性的要求不高，但需要高密度、小尺寸的電源方案，而氮化鎵確實(shí)能提供更高的效率，而且可以實(shí)現(xiàn)更小的電源尺寸。
我認(rèn)為，一旦氮化鎵的使用量不斷增加，積累的應(yīng)用可靠性數(shù)據(jù)量不斷增加，就像你說的，在更嚴(yán)格的應(yīng)用市場中，功率等級更高的電源也會向氮化鎵方案的方向轉(zhuǎn)變，例如從筆記本電腦充電器之類（幾十瓦到幾百瓦之間），逐漸進(jìn)入汽車、車載DC/DC和車載充電器領(lǐng)域，氮化鎵方案的功率將達(dá)到幾十千瓦，這確實(shí)是一個(gè)趨勢。
問題2：隨著功率等級的提升，氮化鎵產(chǎn)品需要在更加惡劣的環(huán)境中工作，從可靠性要求的角度來看，從低瓦數(shù)的電源升級到更高瓦數(shù)的電源，氮化鎵是否會存在問題？
特斯拉專家：我認(rèn)為氮化鎵在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用最需要解決可靠性、易用性和數(shù)據(jù)積累等問題。
最初，為什么GaN沒有首先應(yīng)用于汽車領(lǐng)域，而碳化硅卻“捷步先登”被采用，是因?yàn)橛腥齻€(gè)原因：
●?一是GaN功率半導(dǎo)體的可靠性本質(zhì)上比碳化硅略差，因?yàn)樗捎脵M向GaN柵極結(jié)構(gòu)。
●?二是熱性能也比碳化硅更差。
●?三是碳化硅更好用，碳化硅功率器件結(jié)構(gòu)與硅器件相同，它是垂直器件而不是橫向器件。
所以，氮化鎵要導(dǎo)入汽車領(lǐng)域最主要的是數(shù)據(jù)，尤其需要更多高壓偏置相關(guān)的GaN柵極應(yīng)力相關(guān)的數(shù)據(jù)。
來源：《2024-2025氮化鎵（GaN）產(chǎn)業(yè)調(diào)研白皮書》
GaN在消費(fèi)電子產(chǎn)品中的應(yīng)用已經(jīng)持續(xù)了幾年，這些數(shù)據(jù)將有助于汽車企業(yè)建立對氮化鎵的信心，我認(rèn)為對于氮化鎵，車載充電器和DC/DC轉(zhuǎn)換器是一個(gè)不錯(cuò)的領(lǐng)域，我認(rèn)為這種趨勢會逐漸發(fā)生，因?yàn)镚aN可以為它們帶來更多的優(yōu)勢。我想您可能已經(jīng)知道?GaN?的主要優(yōu)勢，它能夠?qū)崿F(xiàn)高頻快速開關(guān)，甚至與碳化硅相比，其低功耗開關(guān)損耗更低，因此它可以制造出比碳化硅更小或更高效的器件，具體取決于其主要應(yīng)用目標(biāo)。
就像我前面提到的，氮化鎵在汽車市場應(yīng)用先要解決數(shù)據(jù)問題。我指的數(shù)據(jù)是指各個(gè)氮化鎵供應(yīng)商每年的具體器件產(chǎn)量數(shù)據(jù)，器件失效率（FIT）數(shù)據(jù)以及常見的故障類型數(shù)據(jù)。
只有積累這些數(shù)據(jù)，他們才能進(jìn)行迭代，所以不能只是展示他們現(xiàn)有的數(shù)據(jù)，因?yàn)橥ǔＧ闆r下，氮化鎵供應(yīng)商的出貨量要出貨足夠大才能發(fā)現(xiàn)問題，這些問題的發(fā)生率會是百萬分之幾。如果出貨量不夠，就無法在器件設(shè)計(jì)過程中學(xué)習(xí)并迭代解決最終的問題。這是業(yè)界的常規(guī)操作，碳化硅以前也經(jīng)歷過同樣的事情。
如果氮化鎵要從快充頭走向更大的功率范圍（OBC約10-20kW，DC/DC轉(zhuǎn)換器約3-5kW），甚至要超越這兩個(gè)功率等級，那么氮化鎵方案的功率需要達(dá)到數(shù)百千瓦，目前氮化鎵仍然難以得到這個(gè)要求。首先，氮化鎵的器件結(jié)構(gòu)導(dǎo)致它的功率很難做得太高。其次，這些應(yīng)用也不需要高開關(guān)頻率，氮化鎵的主要優(yōu)勢很難發(fā)揮。
與碳化硅相比，氮化鎵的優(yōu)勢似乎并不那么明顯，而碳化硅MOSFET的高耐壓和高效率使其在汽車動力傳動系統(tǒng)的逆變器中發(fā)揮出最大的優(yōu)勢。
問題3：氮化鎵在車載市場的導(dǎo)入周期是怎樣的？基于氮化鎵的車載充電器和DC-DC轉(zhuǎn)換器會在明年或后年先出現(xiàn)在低端車型上，然后通過測試和驗(yàn)證積累收集數(shù)據(jù)，最終開始向高端車型推廣嗎？
特斯拉專家：從汽車行業(yè)技術(shù)方向角度，我認(rèn)為采用氮化鎵將是趨勢。但是眾所周知，汽車產(chǎn)品的開發(fā)周期并不短，從設(shè)計(jì)到量產(chǎn)通常至少需要2-3年，所以氮化鎵在汽車市場的導(dǎo)入周期是可以預(yù)見，至少就我目前所見，今年（2024）或明年（2025）還是不會發(fā)生，但一級供應(yīng)商（Tier 1）可能會比OEM更早地發(fā)布這些車規(guī)級氮化鎵設(shè)計(jì)方案。
汽車電源系統(tǒng)中：GaN的價(jià)值分布和成本優(yōu)勢
問題4：單個(gè)3-5kW的DC/DC轉(zhuǎn)換器中，氮化鎵的價(jià)值約為30-50美元，而OBC的價(jià)值更高，到了牽引逆變器，氮化鎵的價(jià)值將達(dá)到100-200美元。這個(gè)比例合理嗎？
特斯拉專家：是的，DC/DC轉(zhuǎn)換器的氮化鎵價(jià)格大約為30-50美元。DC/DC通常需要兩類型氮化鎵器件：一種是高壓GaN，將400V直流電壓降至80V左右；另一種是低壓GaN，將80V電壓降至48V或者12V，還有8V、4V等更低的電壓轉(zhuǎn)換需求。那么假設(shè)氮化鎵器件平均?5?美元/顆，那么總共的價(jià)值約為40美元（約290人民幣）。
氮化鎵在OBC中的價(jià)值會更高，一是因?yàn)樗墓β矢?，二是OBC多了一個(gè)AC-DC功率轉(zhuǎn)換拓?fù)?，所以氮化鎵的價(jià)值含量大約是DC/DC的兩倍多。
問題5：氮化鎵供應(yīng)商總是喜歡宣揚(yáng)氮化鎵集成電路的價(jià)格最終會低于同類硅方案，您預(yù)計(jì)未來幾年GaN集成電路的價(jià)格會如何下降？
特斯拉專家：成本實(shí)際上是氮化鎵的最大優(yōu)勢之一，因?yàn)橄M(fèi)電子產(chǎn)品中的氮化鎵器件采用的是硅襯底，其最大的好處是，硅基供應(yīng)鏈已經(jīng)存在，所有晶圓廠只需做一些小改動就能在硅片上生長出氮化鎵，這使它比碳化硅具有獨(dú)特的優(yōu)勢。
但是從長遠(yuǎn)來看，從技術(shù)角度而言，氮化鎵的成本目標(biāo)是與硅完全相同，這可能很難，但是可以非常接近的。
GaN應(yīng)用場景持續(xù)擴(kuò)展
住宅儲能、充電樁及混動車等
問題6：橫向氮化鎵在牽引驅(qū)動逆變器領(lǐng)域是否有機(jī)會？是否需要垂直GaN技術(shù)？
特斯拉專家：我認(rèn)為，即使垂直氮化鎵也不一定能完全占領(lǐng)主驅(qū)逆變器市場。我能想象到最好的最好情況是——假設(shè)垂直氮化鎵即將問世，而且在可靠性方面已經(jīng)成熟，成本也類似于碳化硅，這樣一來，一些市場份額可能會轉(zhuǎn)移到氮化鎵上，但這個(gè)轉(zhuǎn)移并不是因?yàn)榈壙梢蕴峁└嗟膬r(jià)值，而是它填補(bǔ)了碳化硅產(chǎn)能不足的問題，碳化硅和氮化鎵都是很好的解決方案，它們可以相互競爭。
但是在主驅(qū)逆變器應(yīng)用中，氮化鎵對碳化硅的優(yōu)勢并不明顯，一是逆變器的功率大，而且開關(guān)頻率沒有那么高。舉個(gè)例子，主驅(qū)逆變器的開關(guān)頻率通常為10kHz，而DC-DC和OBC的開關(guān)頻率可達(dá)100kHz?或更高，開關(guān)頻率相差10倍。氮化鎵的價(jià)值在于開關(guān)損耗更低，開關(guān)頻率越高，價(jià)值越大，但如果開關(guān)頻率降低至十分之一，那么它就沒有那么大的效益。
所以，我認(rèn)為氮化鎵不會完全取代碳化硅在主驅(qū)逆變器的市場份額，但是在DC/DC和OBC領(lǐng)域，如果氮化鎵能夠成功提供足夠的功率容量，則有機(jī)會完全取代碳化硅，實(shí)際上氮化鎵已經(jīng)進(jìn)入了DC/DC和OBC的技術(shù)開發(fā)階段。
氮化鎵的下一個(gè)市場將是住宅儲能等新能源領(lǐng)域，這些應(yīng)用的功率范圍應(yīng)在幾千瓦左右，而且氮化鎵的效率或尺寸對這些領(lǐng)域也更重要，這些領(lǐng)域本身就是高開關(guān)頻率應(yīng)用場景，因此可以發(fā)揮氮化鎵在在降低開關(guān)損耗方面的技術(shù)優(yōu)勢。
問題7：目前，GaN在DC-DC、車載充電器和路邊充電樁中的滲透率情況如何？是否很低？未來還有更多應(yīng)用出現(xiàn)嗎？
特斯拉專家：是的，目前滲透率非常低。
GaN有好幾種器件類型。我們之前有采用Transphorm的級聯(lián)常開型GaN和其他常關(guān)型GaN，最早是采用松下(Panasonic)的，后來它被英飛凌收購了，這些都是GaN分立器件，也有一些集成器件，比如德州儀器(TI)正在開發(fā)一種集成級聯(lián)GaN器件，目前常關(guān)型集成GaN表現(xiàn)出色的是納微(Navitas)和英諾賽科。尤其是納微，他們生產(chǎn)一些集成IC，把驅(qū)動器和GaN單片集成在一起，這讓他們擁有超低開關(guān)損耗的技術(shù)優(yōu)勢，而且開關(guān)速度更快。
正如我所見，GaN技術(shù)正在不斷發(fā)展，它在降低開關(guān)損耗方面表現(xiàn)出色，這使其在集成領(lǐng)域更加出色，所有這些成功應(yīng)用背后都是在利用GaN的開關(guān)性能，所以要打開更多的應(yīng)用，就要找到真正需要氮化鎵頻繁開關(guān)的應(yīng)用，這才能充分發(fā)揮其優(yōu)勢。
問題8：您認(rèn)為GaN未來會被燃油車（ICE）所采用嗎？而不僅僅是電動汽車。
特斯拉專家：是的，氮化鎵在燃油車市場也是有機(jī)會的，氮化鎵也適用于插混汽車(PHEV)或輕混汽車(HEV)，其中一些其次平臺也配備了DC/DC，一些插混合汽車配備了車載充電器 (OBC)。
近期，“行家說三代半”還將發(fā)布特斯拉技術(shù)專家訪談的第二篇文章，他將分析哪種氮化鎵技術(shù)路線更適合車規(guī)應(yīng)用？以及特斯拉是如何看待氮化鎵主流玩家的？敬請期待！
