特斯拉專(zhuān)家訪談：GaN車(chē)載應(yīng)用已成趨勢(shì)

2024年10月，特斯拉技術(shù)專(zhuān)家接受了國(guó)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(chē)領(lǐng)域的應(yīng)用前景與挑戰(zhàn)，同時(shí)還對(duì)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(píng)。

“行家說(shuō)三代半”對(duì)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(zhuān)家核心觀點(diǎn)如下：

●?GaN車(chē)載應(yīng)用已成趨勢(shì)：DC-DC轉(zhuǎn)換器、車(chē)載充電器（OBC）將率先采用GaN方案，功率等級(jí)逐步從消費(fèi)級(jí)（幾十瓦）向汽車(chē)級(jí)（幾十千瓦）躍升。

●?高頻開(kāi)關(guān)是核心優(yōu)勢(shì)：GaN高頻特性（開(kāi)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(chǎng)景）難敵SiC。

●?成本潛力巨大：硅基GaN供應(yīng)鏈成熟，長(zhǎng)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(chǎng)景持續(xù)擴(kuò)展：住宅儲(chǔ)能、充電樁及混動(dòng)車(chē)（PHEV/HEV）的電氣化升級(jí)將成為GaN新戰(zhàn)場(chǎng)。

●?可靠性是最大門(mén)檻：GaN因橫向器件結(jié)構(gòu)和柵極脆弱性，需通過(guò)量產(chǎn)數(shù)據(jù)積累解決車(chē)規(guī)級(jí)可靠性問(wèn)題，SiC因垂直結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)已搶占先機(jī)。

氮化鎵“上車(chē)”征程：

機(jī)遇、挑戰(zhàn)與市場(chǎng)節(jié)奏

問(wèn)題1：GaN器件產(chǎn)品已經(jīng)被銷(xiāo)售到各種終端市場(chǎng)，或許明年及以后，我們將看到車(chē)載DC-DC轉(zhuǎn)換器和車(chē)載充電器（OBC）的氮化鎵采用率也會(huì)提高，您認(rèn)為這樣看待氮化鎵的市場(chǎng)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(zhuān)家：沒(méi)錯(cuò)，這就是趨勢(shì)。

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(duì)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(shuō)的，在更嚴(yán)格的應(yīng)用市場(chǎng)中，功率等級(jí)更高的電源也會(huì)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(lèi)（幾十瓦到幾百瓦之間），逐漸進(jìn)入汽車(chē)、車(chē)載DC/DC和車(chē)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(shì)。

問(wèn)題2：隨著功率等級(jí)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(lái)看，從低瓦數(shù)的電源升級(jí)到更高瓦數(shù)的電源，氮化鎵是否會(huì)存在問(wèn)題？

特斯拉專(zhuān)家：我認(rèn)為氮化鎵在汽車(chē)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(wèn)題。

最初，為什么GaN沒(méi)有首先應(yīng)用于汽車(chē)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(chē)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(lái)源：《2024-2025氮化鎵（GaN）產(chǎn)業(yè)調(diào)研白皮書(shū)》

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(chē)企業(yè)建立對(duì)氮化鎵的信心，我認(rèn)為對(duì)于氮化鎵，車(chē)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(shì)會(huì)逐漸發(fā)生，因?yàn)镚aN可以為它們帶來(lái)更多的優(yōu)勢(shì)。我想您可能已經(jīng)知道?GaN?的主要優(yōu)勢(shì)，它能夠?qū)崿F(xiàn)高頻快速開(kāi)關(guān)，甚至與碳化硅相比，其低功耗開(kāi)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(chē)市場(chǎng)應(yīng)用先要解決數(shù)據(jù)問(wèn)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(jiàn)的故障類(lèi)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(wèn)題，這些問(wèn)題的發(fā)生率會(huì)是百萬(wàn)分之幾。如果出貨量不夠，就無(wú)法在器件設(shè)計(jì)過(guò)程中學(xué)習(xí)并迭代解決最終的問(wèn)題。這是業(yè)界的常規(guī)操作，碳化硅以前也經(jīng)歷過(guò)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(jí)，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(kāi)關(guān)頻率，氮化鎵的主要優(yōu)勢(shì)很難發(fā)揮。

與碳化硅相比，氮化鎵的優(yōu)勢(shì)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(chē)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的逆變器中發(fā)揮出最大的優(yōu)勢(shì)。

問(wèn)題3：氮化鎵在車(chē)載市場(chǎng)的導(dǎo)入周期是怎樣的？基于氮化鎵的車(chē)載充電器和DC-DC轉(zhuǎn)換器會(huì)在明年或后年先出現(xiàn)在低端車(chē)型上，然后通過(guò)測(cè)試和驗(yàn)證積累收集數(shù)據(jù)，最終開(kāi)始向高端車(chē)型推廣嗎？

特斯拉專(zhuān)家：從汽車(chē)行業(yè)技術(shù)方向角度，我認(rèn)為采用氮化鎵將是趨勢(shì)。但是眾所周知，汽車(chē)產(chǎn)品的開(kāi)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(chē)市場(chǎng)的導(dǎo)入周期是可以預(yù)見(jiàn)，至少就我目前所見(jiàn)，今年（2024）或明年（2025）還是不會(huì)發(fā)生，但一級(jí)供應(yīng)商（Tier 1）可能會(huì)比OEM更早地發(fā)布這些車(chē)規(guī)級(jí)氮化鎵設(shè)計(jì)方案。

汽車(chē)電源系統(tǒng)中：GaN的價(jià)值分布和成本優(yōu)勢(shì)

問(wèn)題4：?jiǎn)蝹€(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(zhuān)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(lèi)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(huì)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)洌缘壍膬r(jià)值含量大約是DC/DC的兩倍多。

問(wèn)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(huì)低于同類(lèi)硅方案，您預(yù)計(jì)未來(lái)幾年GaN集成電路的價(jià)格會(huì)如何下降？

特斯拉專(zhuān)家：成本實(shí)際上是氮化鎵的最大優(yōu)勢(shì)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(dòng)就能在硅片上生長(zhǎng)出氮化鎵，這使它比碳化硅具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

但是從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)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(chǎng)景持續(xù)擴(kuò)展

住宅儲(chǔ)能、充電樁及混動(dòng)車(chē)等

問(wèn)題6：橫向氮化鎵在牽引驅(qū)動(dòng)逆變器領(lǐng)域是否有機(jī)會(huì)？是否需要垂直GaN技術(shù)？

特斯拉專(zhuān)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(chǎng)。我能想象到最好的最好情況是——假設(shè)垂直氮化鎵即將問(wèn)世，而且在可靠性方面已經(jīng)成熟，成本也類(lèi)似于碳化硅，這樣一來(lái)，一些市場(chǎng)份額可能會(huì)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(wèn)題，碳化硅和氮化鎵都是很好的解決方案，它們可以相互競(jìng)爭(zhēng)。

但是在主驅(qū)逆變器應(yīng)用中，氮化鎵對(duì)碳化硅的優(yōu)勢(shì)并不明顯，一是逆變器的功率大，而且開(kāi)關(guān)頻率沒(méi)有那么高。舉個(gè)例子，主驅(qū)逆變器的開(kāi)關(guān)頻率通常為10kHz，而DC-DC和OBC的開(kāi)關(guān)頻率可達(dá)100kHz?或更高，開(kāi)關(guān)頻率相差10倍。氮化鎵的價(jià)值在于開(kāi)關(guān)損耗更低，開(kāi)關(guān)頻率越高，價(jià)值越大，但如果開(kāi)關(guān)頻率降低至十分之一，那么它就沒(méi)有那么大的效益。

所以，我認(rèn)為氮化鎵不會(huì)完全取代碳化硅在主驅(qū)逆變器的市場(chǎng)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(huì)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(kāi)發(fā)階段。

氮化鎵的下一個(gè)市場(chǎng)將是住宅儲(chǔ)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(duì)這些領(lǐng)域也更重要，這些領(lǐng)域本身就是高開(kāi)關(guān)頻率應(yīng)用場(chǎng)景，因此可以發(fā)揮氮化鎵在在降低開(kāi)關(guān)損耗方面的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

問(wèn)題7：目前，GaN在DC-DC、車(chē)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(lái)還有更多應(yīng)用出現(xiàn)嗎？

特斯拉專(zhuān)家：是的，目前滲透率非常低。

GaN有好幾種器件類(lèi)型。我們之前有采用Transphorm的級(jí)聯(lián)常開(kāi)型GaN和其他常關(guān)型GaN，最早是采用松下(Panasonic)的，后來(lái)它被英飛凌收購(gòu)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(kāi)發(fā)一種集成級(jí)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(dòng)器和GaN單片集成在一起，這讓他們擁有超低開(kāi)關(guān)損耗的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，而且開(kāi)關(guān)速度更快。

正如我所見(jiàn)，GaN技術(shù)正在不斷發(fā)展，它在降低開(kāi)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(kāi)關(guān)性能，所以要打開(kāi)更多的應(yīng)用，就要找到真正需要氮化鎵頻繁開(kāi)關(guān)的應(yīng)用，這才能充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)。

問(wèn)題8：您認(rèn)為GaN未來(lái)會(huì)被燃油車(chē)（ICE）所采用嗎？而不僅僅是電動(dòng)汽車(chē)。

特斯拉專(zhuān)家：是的，氮化鎵在燃油車(chē)市場(chǎng)也是有機(jī)會(huì)的，氮化鎵也適用于插混汽車(chē)(PHEV)或輕混汽車(chē)(HEV)，其中一些其次平臺(tái)也配備了DC/DC，一些插混合汽車(chē)配備了車(chē)載充電器 (OBC)。

近期，“行家說(shuō)三代半”還將發(fā)布特斯拉技術(shù)專(zhuān)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(chē)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(qǐng)期待！