马自达与罗姆联手！开发GaN功率半导体电驱系统

芝能智芯出品

马自达与罗姆宣布联合开发采用氮化镓（GaN）功率半导体的汽车零部件，利用GaN技术在减少能量损失、实现小型化和提升效率方面的优势，为下一代电动汽车打造创新的电力驱动系统。

自2022年起，马自达与罗姆已在碳化硅（SiC）逆变器领域展开合作，如今转向GaN，目标是在2025年开发出演示模型，并在2027年实现量产。随着GaN技术的成熟和成本下降，现在能和SiC开始竞争了。

功率半导体是电动汽车电力驱动系统的核心，负责电能的转换与控制。

硅（Si）作为传统半导体材料主导了这一领域，电动汽车对效率、功率密度和小型化的需求日益增加，硅材料的物理极限逐渐暴露。硅的禁带宽度仅为1.1 eV，导通电阻较高且开关速度有限，导致能量损耗较大，尤其在高频或高温环境下性能受限。

● 相比之下，氮化镓（GaN）作为一种宽禁带半导体材料，禁带宽度达到3.4 eV，具有显著的技术优势：

◎ 低能量损耗：GaN的低导通电阻和高开关速度大幅减少了开关损耗和导通损耗。例如，在逆变器应用中，GaN器件可将能量转换效率提升至98%以上，而传统硅器件通常在95%以下。这种高效率直接延长了电动汽车的续航里程。

◎ 高频操作：GaN的高电子迁移率（约1500 cm²/Vs，远高于硅的1350 cm²/Vs）使其能够在更高的频率下工作。高频操作允许使用更小的电感器和电容器，从而减小系统体积。

◎ 小型化潜力：由于GaN的高效率减少了热量产生，散热器的体积和重量得以大幅削减。这对于追求轻量化设计的电动汽车尤为关键，能够优化车内空间并提升整车性能。

● 宽禁带半导体家族中，碳化硅（SiC）和GaN各有所长

◎ SiC的禁带宽度为3.26 eV，适用于高压大功率场景，如电动汽车的主牵引逆变器，其耐高温和高击穿电压特性尤为突出。

◎ 而GaN则在中低压、高频应用中表现优异，例如车载充电器（OBC）和DC-DC转换器。

● 两者的电子迁移率也有差异：GaN高达1500 cm²/Vs，而SiC约为900 cm²/Vs，这使得GaN在高频操作下损耗更低。

GaN采用横向结构设计，相比SiC的纵向结构，其制造工艺更接近传统硅工艺，具有潜在的成本优势。这种特性使其在中低压应用中更具竞争力。

马自达与罗姆在2022年启动SiC逆变器合作后转向GaN，通过两种技术的互补全面覆盖电动汽车电力系统的不同需求。

电动汽车对电力驱动系统提出了高效率、轻量化和紧凑化的严苛要求，而GaN技术恰好满足这些需求。

以逆变器为例，GaN的高功率密度可将逆变器体积缩小30%-50%，同时提升效率约3%-5%，减轻了车辆重量，还通过减少电池能耗延长了续航里程。

GaN的高频特性简化了电路设计，减少了无源元件数量，进一步降低了系统成本和复杂性。在车载充电器领域，GaN的优势同样显著。

传统硅基充电器效率约为90%，而GaN充电器可达95%以上，充电时间因此缩短，同时发热量减少，提升了用户体验。GaN成为电动汽车电力电子领域的颠覆性技术，有望推动行业向更高性能和更低碳排放的方向发展。

马自达与罗姆的合作始于2022年，最初聚焦于SiC逆变器的开发。SiC技术已在高压应用中证明其价值，但随着电动汽车对效率和小型化的更高要求，GaN的独特优势逐渐受到关注。

2025年和2027年的阶段性目标反映了双方对GaN技术商业化的强烈信心。

● 合作不仅是技术层面的延伸，更是双方在可持续移动社会愿景下的战略协同。

◎ 马自达作为一家以“驾驶乐趣”为核心的汽车制造商，近年来加速向电动化转型，希望通过技术创新保持市场竞争力。

◎ 罗姆则是全球领先的半导体企业，其EcoGaN™系列产品已在消费电子和工业领域取得成功。

双方的合作充分利用了马自达的整车集成经验和罗姆的半导体研发能力，旨在将GaN技术从实验室推向量产。

● 根据双方声明，合作的具体计划包括：

◎ 2025财年目标：开发采用GaN功率半导体的汽车零部件演示模型。这一阶段将验证GaN在真实车辆环境下的性能和可靠性。

◎ 2027财年目标：实现GaN技术的量产，将其应用于可投产的汽车零部件，如逆变器或车载充电器。

合作不仅限于单一组件开发，还将探索GaN技术在整车层面的应用，小型化和减重优化车辆设计，提升电动汽车的能效和空间利用率，罗姆与台积电的战略合作进一步增强了技术基础。台积电的650V GaN工艺技术为罗姆提供了生产能力，确保GaN器件在性能和成本上的竞争力。

马自达与罗姆也是开启了这一步，汽车行业的高需求将推动GaN器件的规模化生产，降低单位成本。

根据市场研究机构Yole Développement预测，到2030年，GaN功率器件市场规模将超过20亿美元，汽车应用占比将显著增长。

GaN技术的小型化和高效率特性将为电动汽车设计带来更多可能性。例如，更轻的电力系统可能提升车辆续航里程10%-15%，增强市场竞争力。

汽车企业与半导体企业的直接协作模式，可能成为行业趋势。这种垂直整合有助于缩短技术开发周期，提升供应链效率。

马自达与罗姆联合开发GaN功率半导体的项目，是汽车与半导体行业在电动化浪潮中协同创新的缩影。GaN技术凭借其低损耗、高频操作和小型化优势，有望重塑电动汽车的电力驱动系统，为实现碳中和目标提供技术支撑。