氮化鎵“上車”節點的到來，是近了還是遠了？

在本次北京車展，上海電驅動亮相了一款氮化鎵的功率模塊產品。

據現場工作人員介紹，采用氮化鎵器件開發的電機控制器，其開關頻率有著比碳化硅更高的優勢，且開關損耗也更小，因此氮化鎵器件的應用在提升電機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勢。

同時，也可以解決目前電機控制器產品功率密度低、效率低的問題，還能保持電驅動系統的經濟性。

根據型號V08TC65S1A2，不難發現這是來自VisIC的V08 200A – D3GaN? 功率開關。

D3GaN（直接驅動 D-模式）的V08TC65S1A2 功率開關將獲得專利的高密度橫向 GaN 功率晶體管集成到常關產品中，具有極低的 RDS(ON) 和異常高效的開關性能。

D3GaN 技術采用了 VisIC Technologies 的創新技術--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用中非常有效。集成的安全功能可確保系統啟動和關閉期間的安全運行，同時不會影響 GaN 晶體管的開關性能。

除此之外，早在2021年11月，上海電驅動與安世半導體聯合研制的新能源汽車氮化鎵功率組件及電機控制器第四屆進博會上亮相。

在相同的工況下，對比傳統的硅基IGBT電機控制器，其效率提升非常明顯：

◎基于氮化鎵的電機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，進行到哪一步了？

氮化鎵商業化得最好的應用是消費電子快充賽道，另外在數據中心的應用逐漸開始起來，但在電動汽車上的應用目前還處于發展階段。

目前，氮化鎵在汽車上的應用，主要還是在于座艙內快充以及激光雷達等場景。

氮化鎵器件的高效率和緊湊尺寸使其成為車載激光雷達系統的理想選擇。2023年，英諾賽科研發了全球首款用于車載激光雷達的氮化鎵芯片，從工業級應用進軍到車規級應用，該芯片已在頭部車企的激光雷達中實現量產，并成功進入終端市場。

除了車載激光雷達應用，近兩年，氮化鎵在汽車市場的主要驅動力將是電動汽車車載充電器（AC-DC轉換）以及DC/DC轉換器（電壓范圍為48V至400V）。從長遠來看，臨近 2030 年，OEM 廠商將開始考慮將 GaN 集成到主逆變器（650-800V）中。

在車載充電器（OBC）方面，氮化鎵功率半導體大幅降低開關功率耗損與耗散，進而提升OBC的轉換效率，不僅有助提升電動車充電效率，并兼具成本效益。

此外，氮化鎵極低開關損耗可簡化所需被動組件的數量與散熱系統設計，縮減車載充電器整體尺寸及重量。

GaN Systems此前就推出了11kW/800V 氮化鎵車載充電器設計，在系統尺寸、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化。

與采用碳化硅 (SiC) 晶體管產品相比，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 階段最高轉換效率 >99%，DC/DC 階段最高轉換效率 >98%。另外，這種設計具有較小總功率耗損、極低閘極振鈴現象，并且采用金屬絕緣基板 (IMS) 設計優化熱性能。

此外，Transphorm總裁兼CEO Primit Parikh博士曾表示，氮化鎵將于2024年應用于電動汽車，首先是2輪和3輪的電動車輛，然后是4輪的電動汽車，尤其是電動車的充電應用。

2021年3月，安世半導體與聯合汽車電子（UAES）也達成合作，雙方將在車載充電器、高壓DC-DC直流轉換器等項目中開展研發合作。

車載激光雷達、車載充電器（OBC）、DC/DC轉換器方面“漸入佳境”，氮化鎵技術能否上電動汽車動力總成的主逆變器呢？

除了前文提到了與上海電驅動的合作之外，安世半導體在2020 年就與里卡多（Ricardo）合作開發了基于 GaN 的 EV 逆變器設計。

以色列的 VisIC Technologies 與德國汽車供應商 ZF 合作開發用于 400 V 傳動系統應用的 GaN 半導體；緊接著，2021年12月，VisIC已開始和汽車動力總成技術公司hofer powertrain共同開發用于 800V汽車應用的氮化鎵逆變器；2023年9月，VisIC又與化合物半導體材料供應商IQE合作開發用于電動汽車逆變器的高可靠性D型GaN功率產品。

集邦咨詢化合物半導體分析師表示，一些廠商在致力于開發用于汽車主逆變器的氮化鎵功率元件，不過氮化鎵的汽車應用目前還是處于一個早期的階段，預計到2025年左右，會小批量地滲透到低功率的OBC和DC-DC中，再遠到2030年，OEM或考慮將氮化鎵引入到逆變器。

02.

收購與破產并存，產業鏈整合正當時

出于技術整合與創新、市場擴張、產品線豐富等戰略布局方面的考慮，不少企業通過收購的方式，以加強自身在氮化鎵方面的競爭力。

最典型的就是英飛凌和瑞薩電子兩家企業。

2023年10月，英飛凌以8.3億美元完成對GaN Systems的收購，顯著推進了英飛凌的氮化鎵技術路線圖。

早在2015年，英飛凌就通過收購International Rectifier獲得了與GaN功率器件相關的產品/技術；同年，英飛凌宣布與松下合作開發GaN功率半導體，開發出第一代聯合開發產品“CoolGaN”，采用常關型GaN-on-Si晶體管結構；2021年，英飛凌與松下簽訂合同，共同開發和制造第二代產品，并宣布計劃在2023年上半年推出650V耐壓GaN HEMT上市。

無獨有偶，2024年1月，瑞薩電子宣布與全球氮化鎵（GaN）功率半導體供應商Transphorm達成最終協議。根據協議，瑞薩子公司將以每股5.10美元現金收購Transphorm所有已發行普通股，該公司估值約為3.39億美元。

Transphorm是美國一家GaN功率器件生產商，致力于設計、制造和銷售用于高壓電源轉換應用的GaN功率半導體器件。在車用領域，Transphorm的GaN產品在業內最早通過車規級認證，擁有豐富的產品系列。

相反，Wolfspeed為進一步聚焦碳化硅（SiC）材料和功率器件領域，于2023年8月將自身的射頻業務以1.25億美元（約9億元人民幣）出售給MACOM。2023年12月，MACOM完成對Wolfspeed射頻業務的收購。

但對于MACOM而言，該射頻業務與MACOM的產品組合高度互補，并創造了一個引人注目的組合技術解決方案。MACOM將接管Wolfspeed位于北卡羅來納州的100mm GaN晶圓廠（RTP）的控制權。

進一步看，此次收購還包括Wolfspeed位于亞利桑那州、加利福尼亞州和北卡羅來納州的設計團隊和相關產品開發資產，以及位于加利福尼亞州和馬來西亞的后端生產能力。此外，MACOM將獲得強大的知識產權組合的轉讓或許可，其中包括1,400多項與RF業務相關的專利。

當然，幾家歡喜幾家愁，今年就有不少氮化鎵企業面臨著關閉或出售。

今年1月消息，美國總投資超過人民幣10億元的GaN企業NexGen Power Systems破產倒閉，旗下總投資超過1億美元的晶圓廠也已關閉。據披露，倒閉的原因是難以獲得風險融資，公司運營已經舉步維艱。

NexGen成立于2017年，是一家專注開發垂直GaN on GaN器件的企業，在美國紐約州擁有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、材料表征、器件設計和加工等。

值得一提的是，NexGen認為，將垂直氮化鎵逆變器驅動系統引入電動汽車市場可以幫助汽車制造商提高續航里程、減輕重量并提高系統可靠性。

今年3月消息，GaAs Labs投資的一家新加坡射頻GaN芯片供應商Gallium Semiconductor宣布倒閉。不過今年4月消息，該公司似乎找到了新買家。Guerrilla RF宣布，完成對 Gallium Semiconductor GaN 器件產品組合的戰略收購。

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

據悉，Mission Microwave是一家射頻GaN模組企業。Mission Microwave利用GaN晶體管、獨特的功率組合技術和新穎的全系統設計，開發出了 X、Ku 和 Ka 頻段單元，服務于地面、機載、海上和航天等政府和商業客戶。

同樣是今年3月消息，美國垂直GaN器件廠商Odyssey在官網宣布，他們已與客戶簽署最終協議，將以 952 萬美元（約合人民幣0.67億）現金，將其大部分資產出售給一家大型半導體公司，目前買家信息處于保密狀態。

03.

結語

一方面是收購整合，一方面是破產出售，無不映射出氮化鎵現階段的“野蠻生長”與“混沌開局”。

從產業鏈端看，雖然氮化鎵目前在下游車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簽訂了產能協議，GaN Systems為寶馬汽車提供高性能GaN功率晶體管，合作金額高達1億美元。

對于Tier1 而言，他們的“合作”、“應用”等動作也均有銜接推動作用。除了上文提到的上海電驅動之外，威睿與納微半導體合作建立實驗室，將采用納微的氮化鎵以及碳化硅產品打造電動汽車高壓產品；另外，欣銳科技也與納微半導體聯合打造的新型研發實驗室，納微半導體不僅為欣銳科技提供先進、可靠的下一代功率半導體器件，還將從產品規格和設計的初始階段開始，參與到系統級的研發中，到建設測試平臺和定制封裝解決方案，為新能源汽車打造效率更高、功率密度更高、可靠性更好及成本更低的電源系統。

對于氮化鎵器件企業而言，針對不同的應用場景與需求，選擇發展不同的設計路線，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/直驅設計；瑞薩Transphorm、PI、TI、Nexperia、鎵未來以及大連芯冠等采用的是D-Mode/Cascode設計。因此，選擇哪種設計更好取決于具體的應用場景和需求，很難一概而論。

對于晶圓制造企業而言，能否借鑒碳化硅，通過“長大”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晶圓廠的 6 英寸氮化鎵 (GaN) 芯片生產轉向 8 英寸晶圓生產。更大的晶圓意味著每個晶圓上有更多的芯片，此舉可能會導致氮化鎵芯片價格全面下跌，以此進一步降本。

返回第一電動網首頁 >