氮化镓半导体目前用于消费和工业应用,包括交流适配器和服务器电源。但氮化镓半导体在汽车应用中的使用仍处于早期阶段,不像碳化硅芯片那样,越来越多地被纳入电动汽车的电力电子设备中。
氮化镓具有与硅类似的晶体结构,但可以提供更高的效率、更快的开关速度和更高的热导率。更低的电阻、更小的外形尺寸和在更高电压下工作的能力意味着氮化镓半导体比硅半导体消耗更少的功率。
将氮化镓集成到硅衬底而不是蓝宝石中,为氮化镓在车辆电源设备和光探测和测距(激光雷达)中开辟了新的用途。氮化镓适用于电动汽车的低压和高压应用,包括车载充电器、功率逆变器和牵引电机。
美国半导体公司Navitas Semiconductor和德州仪器(TI)以及中国公司Nexperia多年来一直在开发汽车用氮化镓芯片,现在正迅速转向更高电压。几家制造商现在已经开始生产设备。
Navitas自2018年以来一直在生产氮化镓设备,预计将于2025年开始为汽车行业制造该产品。
日本罗门(ROHM)半导体公司去年12月与全球最大的半导体公司台积电合作,开发和生产用于电动汽车的氮化镓功率器件。两家公司将把ROHM的设备开发技术与台积电的氮化镓工艺技术相结合,并提供控制集成电路以最大限度地提高性能。
以色列公司VisIC Technologies正在开发用于汽车和工业用途的氮化镓产品。该公司去年12月宣布,计划与奥地利汽车技术开发商AVL合作,推进电动汽车的逆变器技术。与碳化硅器件相比,这些公司的目标是生产在器件和系统层面提供更高性能和更低成本的器件。VisIC的硅基氮化镓功率器件在生产过程中消耗的能量更少,并且可以在200毫米和300毫米的硅代工厂中制造,以扩大产量。
VisIC计划与AVL合作,将该平台扩展到包括800V电源模块——下一代电动汽车充电技术。
中国的Innoscience Technology正在开发硅基氮化镓电源产品,最近推出了两款针对激光雷达优化的100V汽车级设备,用于高级驾驶辅助和自动驾驶应用,以及DC-DC转换器和汽车音频应用。该公司已开始大规模生产,并正在履行批量订单,以满足需求。
几家制造商和代工厂正在扩大产能,以适应氮化镓器件的商业规模生产。
总部位于美国的GlobalFoundries在12月初表示,它已收到950万美元的联邦资金,继续在其佛蒙特州的工厂增加新的工具、设备和原型制作能力,因为它更接近全面生产200毫米硅基氮化镓芯片。
德州仪器于10月开始在日本会津的工厂生产氮化镓基功率半导体。随着工厂规模的扩大,德州仪器美国和日本工厂的内部产能将翻两番。该公司还试生产了300毫米晶圆,以增加产量。
到目前为止,制造方面的限制阻碍了氮化镓在电动汽车中的广泛应用。成本、供应链问题以及对热量管理和电压峰值的担忧仍然是制造商必须克服的障碍。
这项技术尚未在汽车应用中得到验证,因为汽车有严格的质量和安全标准。为此,制造商开始在OBC和转换器中使用氮化镓来树立信心。
德国英飞凌(Infineon)和瑞士芯片制造商意法半导体(STMicroelectronics)等公司预计,根据应用的功率、效率和成本要求,碳化硅和氮化镓在汽车领域都将有一席之地。
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