在全球汽車產(chǎn)業(yè)加速向電氣化、智能化轉(zhuǎn)型的浪潮中，功率半導(dǎo)體技術(shù)的革新成為關(guān)鍵驅(qū)動力。氮化鎵(GaN)作為一種新興的寬禁帶半導(dǎo)體材料，正憑借其獨特的性能優(yōu)勢，逐漸在車載應(yīng)用領(lǐng)域嶄露頭角，成為行業(yè)矚目的焦點。從當(dāng)前發(fā)展態(tài)勢來看，GaN 車載應(yīng)用已成不可逆轉(zhuǎn)的趨勢。

一、GaN 技術(shù)優(yōu)勢凸顯

(一)高頻開關(guān)特性

與傳統(tǒng)的硅基功率器件相比，GaN 器件具備卓越的高頻特性，其開關(guān)頻率可達(dá) 100kHz 以上 。這一特性在車載充電器(OBC)和車載 DC-DC 轉(zhuǎn)換器等應(yīng)用中價值斐然。在 OBC 中，高頻開關(guān)能夠?qū)崿F(xiàn)更高效的 AC/DC 轉(zhuǎn)換，大幅減少充電過程中的能量損耗，提升充電效率。以納微公司生產(chǎn)的集成 IC 為例，將驅(qū)動器和 GaN 單片集成在一起，擁有超低開關(guān)損耗的技術(shù)優(yōu)勢，開關(guān)速度更快，為制造出更小或更高效的器件提供了可能。同時，在 DC-DC 轉(zhuǎn)換器中，高開關(guān)頻率使得系統(tǒng)設(shè)計得以更加緊湊，能夠有效降低濾波器的體積，還可提高電源轉(zhuǎn)換器的響應(yīng)速度，滿足車載電子系統(tǒng)對高效、小型化電源的需求。

(二)高功率密度與小型化

GaN 的高電子遷移率和高擊穿電場特性，使其能夠在較小的芯片面積上實現(xiàn)較高的功率輸出，即具備高功率密度。這對于空間寸土寸金的汽車內(nèi)部而言，具有極大的吸引力。采用 GaN 器件，可顯著減小車載充電器和 DC-DC 轉(zhuǎn)換器的體積與重量，符合新能源汽車對車載設(shè)備小型化和輕量化的迫切要求。例如，越來越多的廠商推出氮化鎵功率器件和驅(qū)動器集成的方案，進一步降低了整體尺寸，且提升了可靠性和易用性，為汽車制造商優(yōu)化車內(nèi)布局、提升車輛性能提供了有力支持。

(三)良好的熱性能

GaN 材料具有較好的熱導(dǎo)性，在高功率、高溫環(huán)境下能夠穩(wěn)定運行。這一特性使得基于 GaN 的車載功率器件對散熱系統(tǒng)的依賴程度降低，有助于簡化汽車散熱設(shè)計，增強系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。在汽車行駛過程中，車載電子設(shè)備會產(chǎn)生大量熱量，良好的熱性能可確保功率器件在高溫環(huán)境下依然保持高效運行，減少因過熱導(dǎo)致的性能下降和故障風(fēng)險，提升車輛整體的安全性和耐久性。

二、車載應(yīng)用現(xiàn)狀：嶄露頭角，全面滲透

(一)OBC 與 DC-DC 轉(zhuǎn)換器率先突破

目前，車載充電器(OBC)和車載 DC-DC 轉(zhuǎn)換器已成為 GaN 在車載應(yīng)用中的前沿陣地。全球多個新能源汽車制造商，如特斯拉、比亞迪等，已敏銳捕捉到 GaN 技術(shù)的潛力，并開始在其車載充電系統(tǒng)和電壓轉(zhuǎn)換器中采用 GaN 技術(shù)。例如，特斯拉技術(shù)專家在 2024 年 10 月接受調(diào)研時表示，基于氮化鎵的車載充電器和 DC-DC 轉(zhuǎn)換器有望先在低端車型上應(yīng)用，通過測試和驗證積累數(shù)據(jù)后，逐步向高端車型推廣。同時，英飛凌、TI 和 ST 等領(lǐng)先半導(dǎo)體公司也紛紛推出針對車載電源的 GaN 方案，進一步推動了 GaN 在這兩個關(guān)鍵領(lǐng)域的應(yīng)用進程，功率等級正逐步從消費級的幾十瓦向汽車級的幾十千瓦躍升。

(二)輔助電子系統(tǒng)廣泛拓展

除了 OBC 和 DC-DC 轉(zhuǎn)換器，GaN 在汽車輔助電子系統(tǒng)中也展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。在 48V 混合動力和電動汽車的 DC-DC 轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中，GaN 器件可實現(xiàn)更高的效率，降低能量損耗和發(fā)熱，延長電池使用壽命，并降低總體成本。在先進駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)和激光雷達(dá)(LiDAR)領(lǐng)域，GaN 同樣發(fā)揮著重要作用。LiDAR 系統(tǒng)中的超快激光驅(qū)動器需要高速、高效的功率器件來實現(xiàn)精確的距離測量和環(huán)境感知，GaN 的高頻特性和快速開關(guān)能力恰好滿足這一需求，能夠提升 LiDAR 系統(tǒng)的性能，為自動駕駛提供更可靠的環(huán)境感知支持。此外，在汽車的電機驅(qū)動、信息娛樂和 Class-D 音頻系統(tǒng)等方面，GaN 也憑借其出色的性能優(yōu)勢，為提升系統(tǒng)性能和用戶體驗做出貢獻。

三、面臨挑戰(zhàn)：可靠性與成本待解

(一)可靠性難題

盡管 GaN 技術(shù)優(yōu)勢顯著，但在進軍汽車領(lǐng)域時，可靠性成為其面臨的最大門檻。由于 GaN 屬于橫向器件結(jié)構(gòu)，與碳化硅(SiC)的垂直結(jié)構(gòu)相比，其柵極相對脆弱。在汽車復(fù)雜且嚴(yán)苛的使用環(huán)境中，如高溫、高濕度、強電磁干擾以及頻繁的電壓波動等，GaN 器件的可靠性面臨嚴(yán)峻考驗。尤其是在高壓偏置等極端工況下，GaN 柵極應(yīng)力問題可能導(dǎo)致器件性能下降甚至失效。目前，雖然 GaN 在消費電子領(lǐng)域已有多年應(yīng)用經(jīng)驗，但汽車應(yīng)用對可靠性的要求遠(yuǎn)高于消費電子，需要通過大量的量產(chǎn)數(shù)據(jù)積累，深入研究和優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)與制造工藝，以解決車規(guī)級可靠性問題，增強汽車制造商和消費者對其的信心。

(二)成本挑戰(zhàn)

現(xiàn)階段，GaN 器件的成本相對較高，一定程度上限制了其在車載領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用。盡管從長期來看，由于消費電子產(chǎn)品中的氮化鎵器件采用硅襯底，利用現(xiàn)有的硅基供應(yīng)鏈，晶圓廠只需進行一些小改動就能在硅片上生長出氮化鎵，具有成本下降的巨大潛力，長期成本目標(biāo)甚至有望接近傳統(tǒng)硅方案。但在短期內(nèi)，一方面，為滿足汽車級的可靠性要求，需要投入大量資源進行嚴(yán)格的測試和驗證，增加了生產(chǎn)成本;另一方面，目前 GaN 器件的量產(chǎn)規(guī)模相對較小，尚未達(dá)到規(guī)模經(jīng)濟效應(yīng)，導(dǎo)致單位成本居高不下。如何在保證產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性的前提下，平衡量產(chǎn)規(guī)模與可靠性驗證投入，有效降低成本，是推動 GaN 在車載領(lǐng)域廣泛應(yīng)用亟待解決的問題。

四、未來趨勢：持續(xù)創(chuàng)新，前景廣闊

(一)技術(shù)創(chuàng)新驅(qū)動應(yīng)用深化

隨著技術(shù)的不斷進步，GaN 器件的性能將持續(xù)提升，應(yīng)用場景也將進一步拓展。例如，在主驅(qū)逆變器領(lǐng)域，雖然目前在 10kHz 低頻場景下，GaN 較 SiC 優(yōu)勢不明顯，但隨著技術(shù)的突破，若能在低頻下也實現(xiàn)高效運行，有望搶占部分 SiC 的市場份額。同時，在住宅儲能、充電樁及混動車(PHEV/HEV)的電氣化升級等領(lǐng)域，GaN 將憑借其在高頻開關(guān)和高效節(jié)能方面的優(yōu)勢，成為新的增長點。在混動車中，部分平臺配備的 DC-DC 和車載充電器(OBC)為 GaN 提供了應(yīng)用空間，隨著混動車市場的擴大，GaN 的需求也將水漲船高。

(二)產(chǎn)業(yè)協(xié)同加速市場普及

為克服當(dāng)前面臨的可靠性和成本挑戰(zhàn)，半導(dǎo)體廠商、汽車制造商以及相關(guān)科研機構(gòu)正加強產(chǎn)業(yè)協(xié)同。半導(dǎo)體廠商不斷優(yōu)化制造工藝，提高器件的集成度，降低成本，同時加強可靠性研究與測試;汽車制造商積極參與到 GaN 器件的前期設(shè)計與驗證過程中，提供實際應(yīng)用需求和反饋;科研機構(gòu)則致力于基礎(chǔ)研究和關(guān)鍵技術(shù)突破，為產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供技術(shù)支撐。通過各方的緊密合作，加速 GaN 技術(shù)在車載領(lǐng)域的成熟與應(yīng)用，推動 GaN 車載應(yīng)用從星星之火逐漸形成燎原之勢，在未來的汽車產(chǎn)業(yè)中占據(jù)重要地位。

綜上所述，GaN 憑借其獨特的技術(shù)優(yōu)勢，在車載應(yīng)用領(lǐng)域已取得初步成果，并展現(xiàn)出巨大的發(fā)展?jié)摿Α１M管面臨可靠性和成本等挑戰(zhàn)，但隨著技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)協(xié)同的不斷推進，這些難題將逐步得到解決?？梢灶A(yù)見，在不久的將來，GaN 將廣泛應(yīng)用于汽車的各個系統(tǒng)，為汽車的電氣化、智能化發(fā)展注入強大動力，徹底改變車載電源系統(tǒng)和電子設(shè)備的格局，成為推動汽車產(chǎn)業(yè)變革的關(guān)鍵力量。