GaN上車提速，包括納微、英諾賽科等在內的12大廠商誰跑得更快？

資訊中心|information centre|

2022-08-17 18:11:53 11

隨著*各地脫碳行動加速提上日程，電動汽車行業發展如日中升。盡管短期內，電動汽車的銷量仍受疫情、地緣政治等不穩定因素的影響，但部分地區得益于供需關系改善，近期汽車行業產銷兩*，如中國市場。

根據中國汽車工業協會數據顯示，6月中國電動汽車滲透率為23.8%，產量和銷售分別是59萬輛、59.6萬輛，環比分別增長26.6%、33.4%，同比分別增長133.4%、129.2%。

中國市場以外，歐美地區的汽車電氣化程度也有所提升，全球范圍來看亦如此，而這正是催熟電動汽車產業的關鍵因素。同時，今年以來持續走高的油價也成為電動汽車行業高速成長的催化劑。長期而言，全球電動汽車行業景氣度仍將是上揚的。

電動汽車風起，

GaN與SiC的競爭格局初現

已然風起云涌的電動汽車產業正在為整個汽車產業鏈創造可觀的增長空間。從材料環節來看，以SiC、GaN為代表的寬禁帶半導體材料是目前及未來高端車型系統的優選材料，這些材料對于提升汽車續航里程等關鍵性能來說至關重要，對電動汽車未來的普及有著重要的影響。因此，SiC、GaN深受車企、零部件廠商及供應鏈廠商的追捧。

其中，GaN可為電動汽車創造的價值體現在：更快的開關速度、加快充電時間、縮小OBC尺寸和系統重量、降低能耗、通過在逆變器的應用降低電池成本，最終滿足車體輕量化、系統高效化、延長續航里程等核心需求。

GaN Systems曾指出，GaN的性能優點有助于將車載電池充電器的尺寸縮小25%，將牽引逆變器的功率損耗減少70%以上，同時以更輕巧的DC-DC轉換器將功率轉換損耗減半。納微半導體（Navitas）也表示，GaN為電動車行業帶來的利好首先是提高近60%的充電時間；其次是在雙向電路里通過逆變降低5%的電池成本，從而增加5%的續航里程。

不過，現階段，開始量產上車的第三代半導體材料以SiC為主，GaN上車案例屈指可數，僅從第三代半導體材料這個層面來看，可以說目前電動汽車領域是SiC的主場。雖然，GaN的舞臺暫時主要在消費級充電市場，但GaN也開始在電動汽車領域發光發熱，并已初步對SiC形成一定的競爭威脅。

首先，從應用場景來看，SiC在電動汽車中的應用以主驅逆變器、車載充電器OBC和DC-DC轉換器為主，而GaN在其中的應用除了OBC、DC-DC轉換器、主驅逆變器之外，還包含激光雷達（LiDAR）、無線電力傳輸、12V音頻放大器等其他應用，可發揮的空間更多。

其次，從性能來看，SiC和GaN都具備寬禁帶半導體材料的*特性，但GaN屬于硅基質，成本較低，同時還擁有更快的開關頻率、更好的開關特性以及更低的損耗。其中，開關頻率和特性在車用激光雷達上的優勢更為明顯。早前，英諾賽科首席營銷官馮雷博士就公開表示，GaN是激光雷達的剛需，Si和SiC都沒辦法滿足其快速開關的要求。

總的來說，GaN在成本、大規模量產、開關表現方面的優勢相比SiC略高一籌，在電動汽車中的應用場景也更多，稱之為SiC的勁敵不為過。而且，不止來勢洶洶的GaN-on-Si，GaN-on-GaN也將開始摻一腳。

今年1月，韓國GaN外延初創企業IVWorks宣布收購法國Saint-Gobain的GaN襯底業務，計劃在高功率應用領域供應GaN同質外延片，揚言要以GaN-on-GaN打SiC，角逐于電動汽車市場。

在實際應用上，GaN上車速度雖較為緩慢，但其可行性和潛力正在不斷被挖掘。2019年，豐田與日本名古屋大學就采用GaN Systems的GaN技術合作開發了“全GaN汽車”，*成功將基于GaN器件的逆變器應用在電動汽車上，證明了GaN在汽車功率轉換方面的可行性，也證明了GaN適合所有需要更高電壓、頻率、溫度和效率的應用。

隨后，更多車企加入GaN汽車應用大營。其中，寶馬早在2017年就戰略投資了GaN Systems，并于去年向GaN Systems訂購了金額高達1億美元的GaN器件。此外，德國汽車動力總成技術公司hofer powertrain也在近期獲得一家汽車廠商的訂單，采購的產品是800V三電平GaN逆變器平臺。

不難發現，這兩年來，越來越多車企、Tier1以及GaN器件廠商摩拳擦掌，躍躍欲試。各方加大了上下游之間的聯動協同作用，拉開了車用GaN產品認證、測試評估等一系列研發、驗證工作的序幕，研究成果轉化的成效也逐漸顯現，這一點在全球主要功率廠商的動態中也有跡可循。

“開荒”進度喜人

12大功率廠商新一輪博弈開始

從12大GaN功率相關廠商已公開的信息可見，大部分已開發出了適用于電動汽車系統的產品，車規級認證測試的進度不一。不過，一個比較統一的趨勢是：分立器件或功率IC廠商與汽車零部件廠商之間的強強聯合，合作方向涵蓋主逆變器、車載充電器、DC-DC轉換器等。以Transphorm為例，該公司與馬瑞利的合作范圍就覆蓋了這三個方向，而且，其GaN產品最早通過車規級認證。

實際落地方面，目前，GaN Systems及VisIC已拿到了實際的訂單，但后者的訂單是由其下游合作伙伴與車企簽訂。

如上文提及，GaN Systems的器件用在了全球首輛全GaN汽車上，并且已經獲得了寶馬的大批量訂單。在此基礎上，GaN Systems又于去年底宣布與EPowerlabs達成合作，擬共同為車企交付高密度DC/DC功率轉換器，進展較快。

VisIC則先后與Tier 1廠商采埃孚集團及動力總成集團hofer powertrain達成戰略合作，研究方向聚焦GaN三電平逆變器。今年7月，hofer powertrain宣布獲得了800V三電平GaN逆變器平臺的汽車訂單，由此推測VisIC的GaN三電平器件將批量應用到車企未來的電動汽車上。

從產品應用來看，安世半導體也已經有拿得出手的“作品”。在2021年11月的進博會上，上海電驅動展示了其與安世半導體聯合研制的新能源汽車GaN功率組件及電機控制器。據悉，這是中國*滿足量產級的GaN電機控制器，率先采用安世半導體的車規級CCPAK頂部散熱的器件。

新品研發進展及規劃方面，安世半導體的速度也不慢。在650V GaN器件通過車規級認證的基礎上，該公司已開發針對900V高壓的GaN車載產品，并且還有針對1200V產品的計劃，打破GaN僅適用于中低壓產品的傳統思維。對外，安世半導體也有聯合汽車電子UAES、京瓷旗下KyoceraAVX Components等強大的“盟友”，備受業界期待。

另一家已有GaN產品被汽車相關客戶采用的是英諾賽科，不過應用場景是激光雷達。在汽車系統中，英諾賽科認為，激光雷達驅動器將是GaN“上車”的*大應用，目前國內已有*車載激光雷達客戶采用了英諾賽科的GaN器件。除此之外，英諾賽科透露已開始聯合國內及韓國的大型Tier 1廠商共同研發GaN車用項目。

產能儲備方面，英諾賽科的珠海工廠已通過汽車認證，預計將在2024年生產用于汽車應用的8英寸硅基GaN器件。目前，珠海工廠GaN晶圓月產能為4000片，到2025年，珠海和蘇州兩大基地的月產能預計可達70000片左右。

納微半導體的650V高功率車用GaN IC也已送樣客戶。納微副總裁及中國區總經理查瑩杰去年底透露，車規級認證預計今年Q4完成。

值得關注的是，納微今年初率先在上海成立了全球*電動車GaN芯片設計中心，研究范圍覆蓋電氣設計、熱設計、機械設計、軟件開發、完全模擬及原型設計等，目的是為電動汽車行業提供從概念設計到原型產品設計，從完全認證到量產的服務。

除了為汽車動力系統開發原理圖、構造圖和固件等之外，納微后續還將與車載充電器、DC-DC轉換器及牽引系統廠商展開合作。據當時消息稱，納微正在與一家歐洲知名車企合作開發下一代GaN車載充電器，預計2025年量產。另外，保時捷、奧迪和大眾等歐洲*企業提供電力電子設備的供應商BRUSA HyPower也公開宣布和納微達成合作關系。

其他廠商也不甘落后，各有妙招。其中，有著多重“身份”（汽車零部件廠商、半導體廠商等）的博世也已加入了大營，正在研究車用耐高壓GaN功率器件，憑借自身垂直整合、業務體量大等優勢，博世未來有望成為GaN上車的一大重要推手。

車規認證慢、技術門檻高

車用GaN仍需時間沉淀

GaN在電動汽車市場的美好前景藍圖已經初步勾勒，但不得不承認的是，一兩年內很難真正上車，這其實也是業界的共識。正如納微所言，電動汽車的開發通常需要三到四年時間，因此，納微預估基于GaN技術的電動汽車可能要等到2025年后才能上市。

的確，GaN上車并非簡單地在現有汽車系統中安裝或直接替換便可實現，且不說電動汽車本身開發周期較長，GaN產品的車規級認證也需要很長的認證時間，因為汽車供應體系內的任何產品都有嚴格的標準和極高的可靠性、安全性要求，需要跨過不少難關。

據安世半導體2021年介紹，車用GaN面臨的挑戰有幾大方面：

（1）車用領域的功率要求波動較大，需要在所有工況下保持器件參數的長期穩定；

（2）車規級功率器件長期處于高振動、高濕度、高溫度的工作環境，需求要在應對熱應力和機械應力的過程中具備極高的可靠性；

（3）車規級功率器件需要滿足汽車裝備本身在體積、重量和制造成本上的嚴格要求；

（4）車規級功率器件需要具備15-20年的使用壽命。

除此之外，GaN本身的技術和工藝門檻也是一道難以跨越的鴻溝，比如單晶襯底技術。據悉，GaN單晶無法從自然界中直接獲取，需要人工制備，而現有的GaN單晶制備工藝存在難度大、生長速度緩慢、易產生缺陷等缺點，并且晶體尺寸較小，整體成本居高不下，因此，GaN單晶是制約GaN器件高質量發展的重要因素。

目前，中國、日韓、歐美等各國政府也非常重視高質量GaN單晶制備工藝的發展，其中，我國已出臺相關政策支持和鼓勵企業進行重點技術攻關。企業方面，以住友電工、三菱化學等為代表的日本廠商，以蘇州納維、中鎵半導體、鎵特半導體為代表的國內廠商都在努力攻克單晶襯底的難點。其中，蘇州納維已實現2英寸GaN單晶襯底的量產，為國產企業起到了很好的示范作用。

不過，當前硅基GaN產品呼聲高，在未來一段時間內也將是主流，而且從推動GaN上車這個層面來看，硅基GaN被寄予了厚望。如上文所言，硅晶圓成本較低，并且設備可與硅晶圓工廠兼容，易于實現大規模量產。未來，在車企、零部件廠商及供應鏈廠商的合力推動下，技術研發周期、車規級認證時間都有望縮短，從而助力GaN提前實現量產上車。

業界也有不少單位對GaN上車有著非常樂觀的預期。比如，IMEC實驗室此前曾表示，工作電壓可達1200V的硅基GaN外延片若能順利商業化，硅基GaN功率器件在電動汽車上的應用將會提前。德州儀器車用GaN高壓電源部門產品營銷工程師去年也表示，預計量產車最快將有可能在2023年搭載GaN元器件。他認為，若車企判斷準確，那么2024-2026年，更經濟實用的電動汽車數量的增加將帶動GaN元器件獲得更廣泛的應用。

總而言之，車用GaN的發展前景已經逐步明朗，但當下整個產業尚處于孵化期，技術仍需再沉淀。在現有實績的基礎上，我們期待后續有更多的廠商取得技術的突破，逐步將技術研究成果產業化。

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