特斯拉专家访谈：GaN车载应用已成趋势

2024年10月，特斯拉技术专家接受了国外咨询机构的调研，其深度解析了氮化镓技术在汽车领域的应用前景与挑战，同时还对D-mode / E-mode/直驱/单片集成等技术路线以及氮化镓主流玩家进行了点评。

“行家说三代半”对该访谈进行了全文翻译，由于整个采访多达7000字，为此这篇访谈将分拆成2篇发布。

今天发布的是第一篇，特斯拉技术专家核心观点如下：

● GaN车载应用已成趋势：DC-DC转换器、车载充电器（OBC）将率先采用GaN方案，功率等级逐步从消费级（几十瓦）向汽车级（几十千瓦）跃升。

● 高频开关是核心优势：GaN高频特性（开关频率可达100kHz以上）在OBC、DC-DC中价值显著，但在主驱逆变器（10kHz低频场景）难敌SiC。

● 成本潜力巨大：硅基GaN供应链成熟，长期成本目标接近传统硅方案，但短期需平衡量产规模与可靠性验证投入。

● 应用场景持续扩展：住宅储能、充电桩及混动车（PHEV/HEV）的电气化升级将成为GaN新战场。

● 可靠性是最大门槛：GaN因横向器件结构和栅极脆弱性，需通过量产数据积累解决车规级可靠性问题，SiC因垂直结构优势已抢占先机。

氮化镓“上车”征程：

机遇、挑战与市场节奏

问题1：GaN器件产品已经被销售到各种终端市场，或许明年及以后，我们将看到车载DC-DC转换器和车载充电器（OBC）的氮化镓采用率也会提高，您认为这样看待氮化镓的市场需求的方式是否正确？您预计从传统的硅功率解决方案转向氮化镓的速度有多快？

特斯拉专家：没错，这就是趋势。

与碳化硅和传统的硅相比，氮化镓是所谓的横向器件，因此它的功率比硅低，而且可靠性（尤其是栅极结构方面）也比较脆弱，这就是为什么GaN最初被应用于消费电子的原因。

手机、笔记本电脑、电视等产品的离线电源对可靠性的要求不高，但需要高密度、小尺寸的电源方案，而氮化镓确实能提供更高的效率，而且可以实现更小的电源尺寸。

我认为，一旦氮化镓的使用量不断增加，积累的应用可靠性数据量不断增加，就像你说的，在更严格的应用市场中，功率等级更高的电源也会向氮化镓方案的方向转变，例如从笔记本电脑充电器之类（几十瓦到几百瓦之间），逐渐进入汽车、车载DC/DC和车载充电器领域，氮化镓方案的功率将达到几十千瓦，这确实是一个趋势。

问题2：随着功率等级的提升，氮化镓产品需要在更加恶劣的环境中工作，从可靠性要求的角度来看，从低瓦数的电源升级到更高瓦数的电源，氮化镓是否会存在问题？

特斯拉专家：我认为氮化镓在汽车领域的应用最需要解决可靠性、易用性和数据积累等问题。

最初，为什么GaN没有首先应用于汽车领域，而碳化硅却“捷步先登”被采用，是因为有三个原因：

● 一是GaN功率半导体的可靠性本质上比碳化硅略差，因为它采用横向GaN栅极结构。● 二是热性能也比碳化硅更差。● 三是碳化硅更好用，碳化硅功率器件结构与硅器件相同，它是垂直器件而不是横向器件。

所以，氮化镓要导入汽车领域最主要的是数据，尤其需要更多高压偏置相关的GaN栅极应力相关的数据。

来源：《2024-2025氮化镓（GaN）产业调研白皮书》

插播：英诺赛科、能华半导体、致能半导体、京东方华灿光电、镓奥科技等已确认参编，参编咨询请联系许若冰（hangjiashuo999）。

GaN在消费电子产品中的应用已经持续了几年，这些数据将有助于汽车企业建立对氮化镓的信心，我认为对于氮化镓，车载充电器和DC/DC转换器是一个不错的领域，我认为这种趋势会逐渐发生，因为GaN可以为它们带来更多的优势。我想您可能已经知道 GaN 的主要优势，它能够实现高频快速开关，甚至与碳化硅相比，其低功耗开关损耗更低，因此它可以制造出比碳化硅更小或更高效的器件，具体取决于其主要应用目标。

就像我前面提到的，氮化镓在汽车市场应用先要解决数据问题。我指的数据是指各个氮化镓供应商每年的具体器件产量数据，器件失效率（FIT）数据以及常见的故障类型数据。

只有积累这些数据，他们才能进行迭代，所以不能只是展示他们现有的数据，因为通常情况下，氮化镓供应商的出货量要出货足够大才能发现问题，这些问题的发生率会是百万分之几。如果出货量不够，就无法在器件设计过程中学习并迭代解决最终的问题。这是业界的常规操作，碳化硅以前也经历过同样的事情。

如果氮化镓要从快充头走向更大的功率范围（OBC约10-20kW，DC/DC转换器约3-5kW），甚至要超越这两个功率等级，那么氮化镓方案的功率需要达到数百千瓦，目前氮化镓仍然难以得到这个要求。首先，氮化镓的器件结构导致它的功率很难做得太高。其次，这些应用也不需要高开关频率，氮化镓的主要优势很难发挥。

与碳化硅相比，氮化镓的优势似乎并不那么明显，而碳化硅MOSFET的高耐压和高效率使其在汽车动力传动系统的逆变器中发挥出最大的优势。

问题3：氮化镓在车载市场的导入周期是怎样的？基于氮化镓的车载充电器和DC-DC转换器会在明年或后年先出现在低端车型上，然后通过测试和验证积累收集数据，最终开始向高端车型推广吗？

特斯拉专家：从汽车行业技术方向角度，我认为采用氮化镓将是趋势。但是众所周知，汽车产品的开发周期并不短，从设计到量产通常至少需要2-3年，所以氮化镓在汽车市场的导入周期是可以预见，至少就我目前所见，今年（2024）或明年（2025）还是不会发生，但一级供应商（Tier 1）可能会比OEM更早地发布这些车规级氮化镓设计方案。

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汽车电源系统中：

GaN的价值分布和成本优势

问题4：单个3-5kW的DC/DC转换器中，氮化镓的价值约为30-50美元，而OBC的价值更高，到了牵引逆变器，氮化镓的价值将达到100-200美元。这个比例合理吗？

特斯拉专家：是的，DC/DC转换器的氮化镓价格大约为30-50美元。DC/DC通常需要两类型氮化镓器件：一种是高压GaN，将400V直流电压降至80V左右；另一种是低压GaN，将80V电压降至48V或者12V，还有8V、4V等更低的电压转换需求。那么假设氮化镓器件平均 5 美元/颗，那么总共的价值约为40美元（约290人民币）。

氮化镓在OBC中的价值会更高，一是因为它的功率更高，二是OBC多了一个AC-DC功率转换拓扑，所以氮化镓的价值含量大约是DC/DC的两倍多。

问题5：氮化镓供应商总是喜欢宣扬氮化镓集成电路的价格最终会低于同类硅方案，您预计未来几年GaN集成电路的价格会如何下降？

特斯拉专家：成本实际上是氮化镓的最大优势之一，因为消费电子产品中的氮化镓器件采用的是硅衬底，其最大的好处是，硅基供应链已经存在，所有晶圆厂只需做一些小改动就能在硅片上生长出氮化镓，这使它比碳化硅具有独特的优势。

但是从长远来看，从技术角度而言，氮化镓的成本目标是与硅完全相同，这可能很难，但是可以非常接近的。

GaN应用场景持续扩展

住宅储能、充电桩及混动车等

问题6：横向氮化镓在牵引驱动逆变器领域是否有机会？是否需要垂直GaN技术？

特斯拉专家：我认为，即使垂直氮化镓也不一定能完全占领主驱逆变器市场。我能想象到最好的最好情况是——假设垂直氮化镓即将问世，而且在可靠性方面已经成熟，成本也类似于碳化硅，这样一来，一些市场份额可能会转移到氮化镓上，但这个转移并不是因为氮化镓可以提供更多的价值，而是它填补了碳化硅产能不足的问题，碳化硅和氮化镓都是很好的解决方案，它们可以相互竞争。

但是在主驱逆变器应用中，氮化镓对碳化硅的优势并不明显，一是逆变器的功率大，而且开关频率没有那么高。举个例子，主驱逆变器的开关频率通常为10kHz，而DC-DC和OBC的开关频率可达100kHz 或更高，开关频率相差10倍。氮化镓的价值在于开关损耗更低，开关频率越高，价值越大，但如果开关频率降低至十分之一，那么它就没有那么大的效益。

所以，我认为氮化镓不会完全取代碳化硅在主驱逆变器的市场份额，但是在DC/DC和OBC领域，如果氮化镓能够成功提供足够的功率容量，则有机会完全取代碳化硅，实际上氮化镓已经进入了DC/DC和OBC的技术开发阶段。

氮化镓的下一个市场将是住宅储能等新能源领域，这些应用的功率范围应在几千瓦左右，而且氮化镓的效率或尺寸对这些领域也更重要，这些领域本身就是高开关频率应用场景，因此可以发挥氮化镓在在降低开关损耗方面的技术优势。

问题7：目前，GaN在DC-DC、车载充电器和路边充电桩中的渗透率情况如何？是否很低？未来还有更多应用出现吗？

特斯拉专家：是的，目前渗透率非常低。

GaN有好几种器件类型。我们之前有采用Transphorm的级联常开型GaN和其他常关型GaN，最早是采用松下(Panasonic)的，后来它被英飞凌收购了，这些都是GaN分立器件，也有一些集成器件，比如德州仪器(TI)正在开发一种集成级联GaN器件，目前常关型集成GaN表现出色的是纳微(Navitas)和英诺赛科。尤其是纳微，他们生产一些集成IC，把驱动器和GaN单片集成在一起，这让他们拥有超低开关损耗的技术优势，而且开关速度更快。

正如我所见，GaN技术正在不断发展，它在降低开关损耗方面表现出色，这使其在集成领域更加出色，所有这些成功应用背后都是在利用GaN的开关性能，所以要打开更多的应用，就要找到真正需要氮化镓频繁开关的应用，这才能充分发挥其优势。

问题8：您认为GaN未来会被燃油车（ICE）所采用吗？而不仅仅是电动汽车。

特斯拉专家：是的，氮化镓在燃油车市场也是有机会的，氮化镓也适用于插混汽车(PHEV)或轻混汽车(HEV)，其中一些其次平台也配备了DC/DC，一些插混合汽车配备了车载充电器 (OBC)。

近期，“行家说三代半”还将发布特斯拉技术专家访谈的第二篇文章，他将分析哪种氮化镓技术路线更适合车规应用？以及特斯拉是如何看待氮化镓主流玩家的？敬请期待！

本文发自【行家说三代半】，专注第三代半导体（碳化硅和氮化镓）行业观察。

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