2024年10月，特斯拉技術專家接受了國外咨詢機構的調研，其深度解析了氮化鎵技術在汽車領域的應用前景與挑戰(zhàn)，同時還對D-mode / E-mode/直驅/單片集成等技術路線以及氮化鎵主流玩家進行了點評。

“行家說三代半”對該訪談進行了全文翻譯，由于整個采訪多達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，特斯拉技術專家核心觀點如下：

●?GaN車載應用已成趨勢：DC-DC轉換器、車載充電器（OBC）將率先采用GaN方案，功率等級逐步從消費級（幾十瓦）向汽車級（幾十千瓦）躍升。

●?高頻開關是核心優(yōu)勢：GaN高頻特性（開關頻率可達100kHz以上）在OBC、DC-DC中價值顯著，但在主驅逆變器（10kHz低頻場景）難敵SiC。

●?成本潛力巨大：硅基GaN供應鏈成熟，長期成本目標接近傳統(tǒng)硅方案，但短期需平衡量產規(guī)模與可靠性驗證投入。

●?應用場景持續(xù)擴展：住宅儲能、充電樁及混動車（PHEV/HEV）的電氣化升級將成為GaN新戰(zhàn)場。

●?可靠性是最大門檻：GaN因橫向器件結構和柵極脆弱性，需通過量產數(shù)據(jù)積累解決車規(guī)級可靠性問題，SiC因垂直結構優(yōu)勢已搶占先機。

氮化鎵“上車”征程：

機遇、挑戰(zhàn)與市場節(jié)奏

問題1：GaN器件產品已經被銷售到各種終端市場，或許明年及以后，我們將看到車載DC-DC轉換器和車載充電器（OBC）的氮化鎵采用率也會提高，您認為這樣看待氮化鎵的市場需求的方式是否正確？您預計從傳統(tǒng)的硅功率解決方案轉向氮化鎵的速度有多快？

特斯拉專家：沒錯，這就是趨勢。

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（尤其是柵極結構方面）也比較脆弱，這就是為什么GaN最初被應用于消費電子的原因。

手機、筆記本電腦、電視等產品的離線電源對可靠性的要求不高，但需要高密度、小尺寸的電源方案，而氮化鎵確實能提供更高的效率，而且可以實現(xiàn)更小的電源尺寸。

我認為，一旦氮化鎵的使用量不斷增加，積累的應用可靠性數(shù)據(jù)量不斷增加，就像你說的，在更嚴格的應用市場中，功率等級更高的電源也會向氮化鎵方案的方向轉變，例如從筆記本電腦充電器之類（幾十瓦到幾百瓦之間），逐漸進入汽車、車載DC/DC和車載充電器領域，氮化鎵方案的功率將達到幾十千瓦，這確實是一個趨勢。

問題2：隨著功率等級的提升，氮化鎵產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看，從低瓦數(shù)的電源升級到更高瓦數(shù)的電源，氮化鎵是否會存在問題？

特斯拉專家：我認為氮化鎵在汽車領域的應用最需要解決可靠性、易用性和數(shù)據(jù)積累等問題。

最初，為什么GaN沒有首先應用于汽車領域，而碳化硅卻“捷步先登”被采用，是因為有三個原因：

●?一是GaN功率半導體的可靠性本質上比碳化硅略差，因為它采用橫向GaN柵極結構。

●?二是熱性能也比碳化硅更差。

●?三是碳化硅更好用，碳化硅功率器件結構與硅器件相同，它是垂直器件而不是橫向器件。

所以，氮化鎵要導入汽車領域最主要的是數(shù)據(jù)，尤其需要更多高壓偏置相關的GaN柵極應力相關的數(shù)據(jù)。

來源：《2024-2025氮化鎵（GaN）產業(yè)調研白皮書》

GaN在消費電子產品中的應用已經持續(xù)了幾年，這些數(shù)據(jù)將有助于汽車企業(yè)建立對氮化鎵的信心，我認為對于氮化鎵，車載充電器和DC/DC轉換器是一個不錯的領域，我認為這種趨勢會逐漸發(fā)生，因為GaN可以為它們帶來更多的優(yōu)勢。我想您可能已經知道?GaN?的主要優(yōu)勢，它能夠實現(xiàn)高頻快速開關，甚至與碳化硅相比，其低功耗開關損耗更低，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用目標。

就像我前面提到的，氮化鎵在汽車市場應用先要解決數(shù)據(jù)問題。我指的數(shù)據(jù)是指各個氮化鎵供應商每年的具體器件產量數(shù)據(jù)，器件失效率（FIT）數(shù)據(jù)以及常見的故障類型數(shù)據(jù)。

只有積累這些數(shù)據(jù)，他們才能進行迭代，所以不能只是展示他們現(xiàn)有的數(shù)據(jù)，因為通常情況下，氮化鎵供應商的出貨量要出貨足夠大才能發(fā)現(xiàn)問題，這些問題的發(fā)生率會是百萬分之幾。如果出貨量不夠，就無法在器件設計過程中學習并迭代解決最終的問題。這是業(yè)界的常規(guī)操作，碳化硅以前也經歷過同樣的事情。

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轉換器約3-5kW），甚至要超越這兩個功率等級，那么氮化鎵方案的功率需要達到數(shù)百千瓦，目前氮化鎵仍然難以得到這個要求。首先，氮化鎵的器件結構導致它的功率很難做得太高。其次，這些應用也不需要高開關頻率，氮化鎵的主要優(yōu)勢很難發(fā)揮。

與碳化硅相比，氮化鎵的優(yōu)勢似乎并不那么明顯，而碳化硅MOSFET的高耐壓和高效率使其在汽車動力傳動系統(tǒng)的逆變器中發(fā)揮出最大的優(yōu)勢。

問題3：氮化鎵在車載市場的導入周期是怎樣的？基于氮化鎵的車載充電器和DC-DC轉換器會在明年或后年先出現(xiàn)在低端車型上，然后通過測試和驗證積累收集數(shù)據(jù)，最終開始向高端車型推廣嗎？

特斯拉專家：從汽車行業(yè)技術方向角度，我認為采用氮化鎵將是趨勢。但是眾所周知，汽車產品的開發(fā)周期并不短，從設計到量產通常至少需要2-3年，所以氮化鎵在汽車市場的導入周期是可以預見，至少就我目前所見，今年（2024）或明年（2025）還是不會發(fā)生，但一級供應商（Tier 1）可能會比OEM更早地發(fā)布這些車規(guī)級氮化鎵設計方案。

汽車電源系統(tǒng)中：GaN的價值分布和成本優(yōu)勢

問題4：單個3-5kW的DC/DC轉換器中，氮化鎵的價值約為30-50美元，而OBC的價值更高，到了牽引逆變器，氮化鎵的價值將達到100-200美元。這個比例合理嗎？

特斯拉專家：是的，DC/DC轉換器的氮化鎵價格大約為30-50美元。DC/DC通常需要兩類型氮化鎵器件：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等更低的電壓轉換需求。那么假設氮化鎵器件平均?5?美元/顆，那么總共的價值約為40美元（約290人民幣）。

氮化鎵在OBC中的價值會更高，一是因為它的功率更高，二是OBC多了一個AC-DC功率轉換拓撲，所以氮化鎵的價值含量大約是DC/DC的兩倍多。

問題5：氮化鎵供應商總是喜歡宣揚氮化鎵集成電路的價格最終會低于同類硅方案，您預計未來幾年GaN集成電路的價格會如何下降？

特斯拉專家：成本實際上是氮化鎵的最大優(yōu)勢之一，因為消費電子產品中的氮化鎵器件采用的是硅襯底，其最大的好處是，硅基供應鏈已經存在，所有晶圓廠只需做一些小改動就能在硅片上生長出氮化鎵，這使它比碳化硅具有獨特的優(yōu)勢。

但是從長遠來看，從技術角度而言，氮化鎵的成本目標是與硅完全相同，這可能很難，但是可以非常接近的。

GaN應用場景持續(xù)擴展

住宅儲能、充電樁及混動車等

問題6：橫向氮化鎵在牽引驅動逆變器領域是否有機會？是否需要垂直GaN技術？

特斯拉專家：我認為，即使垂直氮化鎵也不一定能完全占領主驅逆變器市場。我能想象到最好的最好情況是——假設垂直氮化鎵即將問世，而且在可靠性方面已經成熟，成本也類似于碳化硅，這樣一來，一些市場份額可能會轉移到氮化鎵上，但這個轉移并不是因為氮化鎵可以提供更多的價值，而是它填補了碳化硅產能不足的問題，碳化硅和氮化鎵都是很好的解決方案，它們可以相互競爭。

但是在主驅逆變器應用中，氮化鎵對碳化硅的優(yōu)勢并不明顯，一是逆變器的功率大，而且開關頻率沒有那么高。舉個例子，主驅逆變器的開關頻率通常為10kHz，而DC-DC和OBC的開關頻率可達100kHz?或更高，開關頻率相差10倍。氮化鎵的價值在于開關損耗更低，開關頻率越高，價值越大，但如果開關頻率降低至十分之一，那么它就沒有那么大的效益。

所以，我認為氮化鎵不會完全取代碳化硅在主驅逆變器的市場份額，但是在DC/DC和OBC領域，如果氮化鎵能夠成功提供足夠的功率容量，則有機會完全取代碳化硅，實際上氮化鎵已經進入了DC/DC和OBC的技術開發(fā)階段。

氮化鎵的下一個市場將是住宅儲能等新能源領域，這些應用的功率范圍應在幾千瓦左右，而且氮化鎵的效率或尺寸對這些領域也更重要，這些領域本身就是高開關頻率應用場景，因此可以發(fā)揮氮化鎵在在降低開關損耗方面的技術優(yōu)勢。

問題7：目前，GaN在DC-DC、車載充電器和路邊充電樁中的滲透率情況如何？是否很低？未來還有更多應用出現(xiàn)嗎？

特斯拉專家：是的，目前滲透率非常低。

GaN有好幾種器件類型。我們之前有采用Transphorm的級聯(lián)常開型GaN和其他常關型GaN，最早是采用松下(Panasonic)的，后來它被英飛凌收購了，這些都是GaN分立器件，也有一些集成器件，比如德州儀器(TI)正在開發(fā)一種集成級聯(lián)GaN器件，目前常關型集成GaN表現(xiàn)出色的是納微(Navitas)和英諾賽科。尤其是納微，他們生產一些集成IC，把驅動器和GaN單片集成在一起，這讓他們擁有超低開關損耗的技術優(yōu)勢，而且開關速度更快。

正如我所見，GaN技術正在不斷發(fā)展，它在降低開關損耗方面表現(xiàn)出色，這使其在集成領域更加出色，所有這些成功應用背后都是在利用GaN的開關性能，所以要打開更多的應用，就要找到真正需要氮化鎵頻繁開關的應用，這才能充分發(fā)揮其優(yōu)勢。

問題8：您認為GaN未來會被燃油車（ICE）所采用嗎？而不僅僅是電動汽車。

特斯拉專家：是的，氮化鎵在燃油車市場也是有機會的，氮化鎵也適用于插混汽車(PHEV)或輕混汽車(HEV)，其中一些其次平臺也配備了DC/DC，一些插混合汽車配備了車載充電器 (OBC)。

近期，“行家說三代半”還將發(fā)布特斯拉技術專家訪談的第二篇文章，他將分析哪種氮化鎵技術路線更適合車規(guī)應用？以及特斯拉是如何看待氮化鎵主流玩家的？敬請期待！