GaN 车载应用已成趋势

在全球汽车产业加速向电气化、智能化转型的浪潮中，功率半导体技术的革新成为关键驱动力。氮化镓(GaN)作为一种新兴的宽禁带半导体材料，正凭借其独特的性能优势，逐渐在车载应用领域崭露头角，成为行业瞩目的焦点。从当前发展态势来看，GaN 车载应用已成不可逆转的趋势。

一、GaN 技术优势凸显

(一)高频开关特性

与传统的硅基功率器件相比，GaN 器件具备卓越的高频特性，其开关频率可达 100kHz 以上 。这一特性在车载充电器(OBC)和车载 DC-DC 转换器等应用中价值斐然。在 OBC 中，高频开关能够实现更高效的 AC/DC 转换，大幅减少充电过程中的能量损耗，提升充电效率。以纳微公司生产的集成 IC 为例，将驱动器和 GaN 单片集成在一起，拥有超低开关损耗的技术优势，开关速度更快，为制造出更小或更高效的器件提供了可能。同时，在 DC-DC 转换器中，高开关频率使得系统设计得以更加紧凑，能够有效降低滤波器的体积，还可提高电源转换器的响应速度，满足车载电子系统对高效、小型化电源的需求。

(二)高功率密度与小型化

GaN 的高电子迁移率和高击穿电场特性，使其能够在较小的芯片面积上实现较高的功率输出，即具备高功率密度。这对于空间寸土寸金的汽车内部而言，具有极大的吸引力。采用 GaN 器件，可显著减小车载充电器和 DC-DC 转换器的体积与重量，符合新能源汽车对车载设备小型化和轻量化的迫切要求。例如，越来越多的厂商推出氮化镓功率器件和驱动器集成的方案，进一步降低了整体尺寸，且提升了可靠性和易用性，为汽车制造商优化车内布局、提升车辆性能提供了有力支持。

(三)良好的热性能

GaN 材料具有较好的热导性，在高功率、高温环境下能够稳定运行。这一特性使得基于 GaN 的车载功率器件对散热系统的依赖程度降低，有助于简化汽车散热设计，增强系统的稳定性和可靠性。在汽车行驶过程中，车载电子设备会产生大量热量，良好的热性能可确保功率器件在高温环境下依然保持高效运行，减少因过热导致的性能下降和故障风险，提升车辆整体的安全性和耐久性。

二、车载应用现状：崭露头角，全面渗透

(一)OBC 与 DC-DC 转换器率先突破

目前，车载充电器(OBC)和车载 DC-DC 转换器已成为 GaN 在车载应用中的前沿阵地。全球多个新能源汽车制造商，如特斯拉、比亚迪等，已敏锐捕捉到 GaN 技术的潜力，并开始在其车载充电系统和电压转换器中采用 GaN 技术。例如，特斯拉技术专家在 2024 年 10 月接受调研时表示，基于氮化镓的车载充电器和 DC-DC 转换器有望先在低端车型上应用，通过测试和验证积累数据后，逐步向高端车型推广。同时，英飞凌、TI 和 ST 等领先半导体公司也纷纷推出针对车载电源的 GaN 方案，进一步推动了 GaN 在这两个关键领域的应用进程，功率等级正逐步从消费级的几十瓦向汽车级的几十千瓦跃升。

(二)辅助电子系统广泛拓展

除了 OBC 和 DC-DC 转换器，GaN 在汽车辅助电子系统中也展现出广阔的应用前景。在 48V 混合动力和电动汽车的 DC-DC 转换系统中，GaN 器件可实现更高的效率，降低能量损耗和发热，延长电池使用寿命，并降低总体成本。在先进驾驶辅助系统(ADAS)和激光雷达(LiDAR)领域，GaN 同样发挥着重要作用。LiDAR 系统中的超快激光驱动器需要高速、高效的功率器件来实现精确的距离测量和环境感知，GaN 的高频特性和快速开关能力恰好满足这一需求，能够提升 LiDAR 系统的性能，为自动驾驶提供更可靠的环境感知支持。此外，在汽车的电机驱动、信息娱乐和 Class-D 音频系统等方面，GaN 也凭借其出色的性能优势，为提升系统性能和用户体验做出贡献。

三、面临挑战：可靠性与成本待解

(一)可靠性难题

尽管 GaN 技术优势显著，但在进军汽车领域时，可靠性成为其面临的最大门槛。由于 GaN 属于横向器件结构，与碳化硅(SiC)的垂直结构相比，其栅极相对脆弱。在汽车复杂且严苛的使用环境中，如高温、高湿度、强电磁干扰以及频繁的电压波动等，GaN 器件的可靠性面临严峻考验。尤其是在高压偏置等极端工况下，GaN 栅极应力问题可能导致器件性能下降甚至失效。目前，虽然 GaN 在消费电子领域已有多年应用经验，但汽车应用对可靠性的要求远高于消费电子，需要通过大量的量产数据积累，深入研究和优化器件结构与制造工艺，以解决车规级可靠性问题，增强汽车制造商和消费者对其的信心。

(二)成本挑战

现阶段，GaN 器件的成本相对较高，一定程度上限制了其在车载领域的大规模应用。尽管从长期来看，由于消费电子产品中的氮化镓器件采用硅衬底，利用现有的硅基供应链，晶圆厂只需进行一些小改动就能在硅片上生长出氮化镓，具有成本下降的巨大潜力，长期成本目标甚至有望接近传统硅方案。但在短期内，一方面，为满足汽车级的可靠性要求，需要投入大量资源进行严格的测试和验证，增加了生产成本;另一方面，目前 GaN 器件的量产规模相对较小，尚未达到规模经济效应，导致单位成本居高不下。如何在保证产品质量和可靠性的前提下，平衡量产规模与可靠性验证投入，有效降低成本，是推动 GaN 在车载领域广泛应用亟待解决的问题。

四、未来趋势：持续创新，前景广阔

(一)技术创新驱动应用深化

随着技术的不断进步，GaN 器件的性能将持续提升，应用场景也将进一步拓展。例如，在主驱逆变器领域，虽然目前在 10kHz 低频场景下，GaN 较 SiC 优势不明显，但随着技术的突破，若能在低频下也实现高效运行，有望抢占部分 SiC 的市场份额。同时，在住宅储能、充电桩及混动车(PHEV/HEV)的电气化升级等领域，GaN 将凭借其在高频开关和高效节能方面的优势，成为新的增长点。在混动车中，部分平台配备的 DC-DC 和车载充电器(OBC)为 GaN 提供了应用空间，随着混动车市场的扩大，GaN 的需求也将水涨船高。

(二)产业协同加速市场普及

为克服当前面临的可靠性和成本挑战，半导体厂商、汽车制造商以及相关科研机构正加强产业协同。半导体厂商不断优化制造工艺，提高器件的集成度，降低成本，同时加强可靠性研究与测试;汽车制造商积极参与到 GaN 器件的前期设计与验证过程中，提供实际应用需求和反馈;科研机构则致力于基础研究和关键技术突破，为产业发展提供技术支撑。通过各方的紧密合作，加速 GaN 技术在车载领域的成熟与应用，推动 GaN 车载应用从星星之火逐渐形成燎原之势，在未来的汽车产业中占据重要地位。

综上所述，GaN 凭借其独特的技术优势，在车载应用领域已取得初步成果，并展现出巨大的发展潜力。尽管面临可靠性和成本等挑战，但随着技术创新和产业协同的不断推进，这些难题将逐步得到解决。可以预见，在不久的将来，GaN 将广泛应用于汽车的各个系统，为汽车的电气化、智能化发展注入强大动力，彻底改变车载电源系统和电子设备的格局，成为推动汽车产业变革的关键力量。