垂直氮化镓，能否挑战碳化硅？

现代设计采用 800V 架构，在合理电流下实现大功率充电。但这一转变也带来挑战：电力电子器件必须安全承受此类电压。800V 电池系统工作时电压可接近 950V，因此通常需要额定 1200V 左右的半导体器件，以保证可靠的电压裕量。

碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）等宽禁带半导体推动了车载充电机（OBC）设计变革，支持更高开关频率。宽禁带器件可在数百 kHz 乃至 MHz 频段工作且损耗可控，而硅基 IGBT 通常仅能工作在数十 kHz。频率提升可采用更小的磁性元件与电容，从而减小车载充电机的体积与重量。本文将探讨垂直结构氮化镓（vGaN）如何成为电动汽车车载充电机可靠的 1200V 级功率器件，以及这一转变对电力电子设计的意义。

同质外延氮化镓（GaN on GaN）

早期商用氮化镓功率晶体管为横向结构。此类器件中，电流沿芯片表面平行流动，通过氮化镓 / 铝镓氮界面形成的二维电子气（2DEG）从源极流向漏极。横向氮化镓高电子迁移率晶体管（HEMT）在＜600V 至 650V 中低压场景下，实现了高效快速开关。

但横向架构在更高电压下开始显现局限。横向器件的击穿电压受漏极与栅极（或源极）沿表面的间距限制，且强电场易集中在器件表面边缘。当电压接近 650V 时，硅基横向氮化镓高电子迁移率晶体管很难进一步提升耐压。

解决方案是改变器件结构，采用垂直氮化镓（vGaN），电流沿氮化镓晶体厚度方向垂直导通。垂直结构可通过更厚的漂移区承受更高电压。由于电流需穿过衬底导通，该结构必须采用氮化镓衬底，而非硅等异质衬底。垂直氮化镓最核心的优势，是突破了横向表面耐压限制，其击穿电压由氮化镓体层厚度与掺杂浓度决定。

简而言之，垂直氮化镓器件可对标碳化硅 MOSFET 或二极管，实现 1200V、1700V 乃至更高耐压。安森美表示，硅基横向氮化镓器件的氮化镓层厚度仅约 5µm，而同质外延垂直氮化镓器件的外延层厚度可超过 40µm，显著提升耐压能力。

图 1：横向氮化镓与垂直氮化镓对比（图源：安森美）

除可生长更厚外延层外，同质外延氮化镓还能显著提升材料质量。异质衬底上生长的氮化镓存在较大晶格失配与热膨胀失配，导致薄膜位错密度更高，这类晶体缺陷会引发可靠性问题与更大漏电流。相比之下，氮化镓同质外延衬底的位错密度可控制在 10³~10⁵cm⁻² 量级，提升器件鲁棒性。

安森美公布，其 1200V 垂直氮化镓原型开关速度更快，损耗约为前代同类器件的一半。该公司同时指出，同等性能下，垂直器件的芯片面积仅为横向氮化镓器件的约三分之一。

首款垂直氮化镓功率器件由 NexGen Power Systems 推出，其 1200V 氮化镓器件可在满压下实现＞1MHz 开关。氮化镓的快速开关特性意味着，即便在 1200V 耐压下，工程师仍可将工作频率推至 MHz 级，有望进一步缩小磁性元件尺寸。不过在实际应用中，散热与电磁干扰（EMI）会限制频率提升幅度。

对车载充电机拓扑的影响

其一，工程师可在 800V 电池系统中采用两电平变换器拓扑。例如，三相交流车载充电机输入可生成 750~800V 直流母线电压。若在三相整流桥中使用 650V 氮化镓场效应管，极端工况下器件将接近满额耐压，存在安全风险。传统方案多采用维也纳整流器等多电平拓扑，使每个开关承受约一半母线电压。

而 1200V 氮化镓器件可免去这一折中设计，直接采用两电平全桥功率因数校正（PFC）拓扑成为可行方案。业内预计，1200V 氮化镓的普及将深刻影响车载充电机交直流变换级。例如，三相有源前端可在单相工况下以两电平电路运行，配合低频桥臂或旁路开关，可减少元器件数量与系统复杂度。

图 2：面向不同应用的功率开关技术（图源：安森美）

在车载充电机直流 / 直流级，高压氮化镓器件提供了更多设计选择。800V 电池组的隔离式变换器原边开关需采用 1200V 器件。相同耐压等级的氮化镓场效应管可使谐振变换器工作在更高频率，从而缩小变压器与滤波器体积。氮化镓低输出电荷、零反向恢复的特性，使其在软开关变换器中同样表现优异，可降低环流能量与损耗。

其二，垂直氮化镓有望推动单级或超紧凑车载充电机架构落地。若氮化镓可在 1200V 下实现高频开关，便可采用单级交直流拓扑，同时完成功率因数校正与直流输出稳压。这类拓扑结构复杂，但氮化镓的高速特性使其更具可行性。相关调研显示，基于氮化镓的单级拓扑可实现最高功率密度与最简架构。

垂直氮化镓能否挑战碳化硅？

短期内，碳化硅仍将主导 800V 级电动汽车电力电子量产市场。碳化硅器件已实现大规模量产，并搭载于多款车型平台。垂直氮化镓器件需要时间完成车规认证与市场信任积累。汽车设计周期漫长，即便 2026 年已有成熟氮化镓晶体管，其大规模装车也要等到 2028~2029 年。

但从技术性能来看，垂直氮化镓完全具备挑战碳化硅的潜力。未来数年内，其有望在车载充电机系统中真正替代碳化硅功率器件。氮化镓可推动车载充电机效率提升至 98%，工作频率从 10kHz 提升至 100kHz，降低电机损耗与噪声，实现下一代技术升级。

中长期更可能出现二者共存的格局。例如，数十千瓦级的车载充电机、直流 / 直流变换器与辅助电源单元，可依托高频开关优势，成为氮化镓的核心应用场景；而数百千瓦级高性能车型主牵引逆变器，因长期工作在大电流工况，碳化硅仍将是优选方案。

成本是垂直氮化镓与碳化硅竞争的另一关键因素。垂直氮化镓需采用氮化镓衬底，当前成本较高。若未来可在 6 英寸或 8 英寸氮化镓晶圆上实现高良率量产，其经济性将在电动汽车大批量零部件中实现反转。整车企业最终将选择成本与性能最优平衡的技术方案。