四個(gè)氮化鎵在新應(yīng)用領(lǐng)域下的機(jī)遇！

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2022-03-17 09:23:22 12

2021年，隨著5G、消費(fèi)電子、工業(yè)能源轉(zhuǎn)換和新能源汽車(chē)需求的增加，基站、換能器和充電站的需求將大幅增加，對(duì)氮化鎵和碳化硅饋線的需求將增加。
據(jù) TrendForce集邦咨詢研究顯示，GaN功率元件至2025年市場(chǎng)規(guī)模將達(dá) 13.2億美元，年復(fù)合成長(zhǎng)率高達(dá) 94%。

新應(yīng)用下，氮化鎵的“革命”！

與硅相比，GaN 具有寬帶隙、高電子飽和率、高擊穿場(chǎng)電場(chǎng)以及較低的傳導(dǎo)損耗和 EMF 特性。 GaN能源主要用于消費(fèi)產(chǎn)品、新能源汽車(chē)、通信和數(shù)據(jù)中心。
在碳達(dá)峰、碳中和的背景下，氮化鎵推動(dòng)能源轉(zhuǎn)換“革命”。
“據(jù)2020年全國(guó)電力工業(yè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，全國(guó)社會(huì)用電量高達(dá)7.5萬(wàn)億千瓦時(shí)，在這個(gè)龐大的數(shù)字下，節(jié)約的效率是巨大的。由此我們可以看出，GaN的低開(kāi)關(guān)損耗和高頻化的特點(diǎn)將會(huì)在智慧照明、機(jī)電轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)中心、智能電動(dòng)和智能光儲(chǔ)上有較廣泛的應(yīng)用?！痹?022集邦咨詢化合物半導(dǎo)體新應(yīng)用前瞻分析會(huì)上，英諾賽科*經(jīng)理賀鵬表示。
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英諾賽科*經(jīng)理賀鵬

LED照明

在LED驅(qū)動(dòng)電源中，磁器件和功率器件的散熱器的體積占到了整個(gè)電源的1/3以上，要實(shí)現(xiàn)LED驅(qū)動(dòng)的小型化，降低磁器件的體積，從而降低散熱片的體積是一個(gè)比較好的路徑。

氮化鎵在開(kāi)關(guān)速度上比硅有明顯的提升，它的開(kāi)關(guān)損耗相對(duì)于硅有大幅的減小，而效能有大幅提升。追求小尺寸一般就要犧牲效率，但應(yīng)用氮化鎵可以保證在小尺寸情況下，效率依然可以做到很高。

機(jī)電轉(zhuǎn)換

電機(jī)驅(qū)動(dòng)行業(yè)已覆蓋到我們生活的方方面面，包含常見(jiàn)的電動(dòng)自行車(chē)、電動(dòng)工具，另外還有倉(cāng)儲(chǔ)機(jī)器人、外協(xié)機(jī)器人、無(wú)人機(jī)、伺服，還有電機(jī)的主驅(qū)。
以無(wú)人機(jī)為例，若想提升續(xù)航，就意味著對(duì)高效能轉(zhuǎn)化的要求；對(duì)體積的苛刻，意味著一體化的設(shè)計(jì)，對(duì)高功率密度有更高的要求。
氮化鎵對(duì)驅(qū)動(dòng)器的應(yīng)用，是對(duì)電機(jī)系統(tǒng)有一個(gè)系統(tǒng)性的綜合優(yōu)化，控制器的控制精度將會(huì)有大幅提升。由于驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)本體尺寸的下降，GaN的應(yīng)用更有利于驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)本體的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，對(duì)系統(tǒng)的綜合性能和成本都會(huì)有一定的優(yōu)化。

數(shù)據(jù)中心

此前，歐盟頒布2023年針對(duì)數(shù)據(jù)中心能效的強(qiáng)制鈦金要求。效率從白金的峰值效率94%提升到鈦金的96%，這兩個(gè)點(diǎn)的提升對(duì)于服務(wù)器電源的設(shè)計(jì)將會(huì)有著質(zhì)的推動(dòng)。

賀鵬預(yù)計(jì)服務(wù)器電源在未來(lái)的設(shè)計(jì)上，對(duì)集成數(shù)據(jù)中心的效率，以及集成它的功率密度和降低成本都有一定的考慮。

電動(dòng)汽車(chē)

未來(lái)隨著GaN器件在高壓領(lǐng)域的研發(fā)技術(shù)提升，GaN在OBC、BMS以及電機(jī)驅(qū)動(dòng)上也會(huì)有比較廣泛的應(yīng)用。

光伏儲(chǔ)能

目前，GaN主要應(yīng)用在便攜式的儲(chǔ)能站，使用氮化鎵可以降低功耗，提高功率密度，降低成本。

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Source：拍信網(wǎng)

四個(gè)挑戰(zhàn)，四個(gè)機(jī)遇！

會(huì)上，就氮化鎵器件的挑戰(zhàn)和展望，賀鵬提出了四個(gè)方面。

Ron*Area vs 價(jià)格和通流能力

GaN器件相較于硅器件，在單位面積Ron Area 方面有一定的優(yōu)勢(shì)，而wafer和通流能力方面存在劣勢(shì)，解決的辦法就是在IDM模式下，提升產(chǎn)能，降低單Die的成本，另外就是改善工藝，提升良率，降低wafer的成本。

驅(qū)動(dòng)

GaN相對(duì)硅的閾值電壓和最大值電壓都偏低，這就意味著GaN驅(qū)動(dòng)的敏感度更高。解決方法有二，一是引入SK引腳，可將驅(qū)動(dòng)回路和功率回路有效解耦，避免誤觸發(fā)帶來(lái)的故障；二是由單管到合封，有效降低故障率。

封裝和散熱

GaN主流是DFN和CSP封裝，散熱面積不及硅。我們可以開(kāi)發(fā)頂部散熱的封裝，以增加散熱面積。另外，開(kāi)發(fā)熱阻更優(yōu)的封裝形式，比如copper clip，以及FLCSP，它們的熱阻會(huì)更小。

高耐壓和大電流應(yīng)用

SiC的高電壓高達(dá)1700V，GaN最高才達(dá)到650V，這就需要對(duì)技術(shù)路線和工藝進(jìn)行改進(jìn)，使得GaN在高壓上和大電流上接近并突破理論限值。

在高頻應(yīng)用場(chǎng)景下，對(duì)于GaN直驅(qū)的驅(qū)動(dòng)器需要有低電壓范圍、低閾值電壓、超好死區(qū)時(shí)間；其磁性材料需要有低磁損、低寄生參數(shù)、更優(yōu)的高頻特性；在超高頻的磁件設(shè)計(jì)方面，對(duì)低交流損耗、低寄生參數(shù)、集成化設(shè)計(jì)有一定的要求；另外在高功率密度應(yīng)用下，由于系統(tǒng)的密度提升帶來(lái)的對(duì)系統(tǒng)散熱的要求，以及EMI特性提出了更高的要求，同時(shí)對(duì)PCB的設(shè)計(jì)也有更高的要求。
“優(yōu)越的開(kāi)關(guān)特性使GaN功率器件更助力于節(jié)能減排，GaN的高頻特性也推動(dòng)了系統(tǒng)的高功率密度發(fā)展，作為一個(gè)新器件，GaN的研發(fā)和應(yīng)用仍具備更巨大的提升空間和潛力?！辟R鵬表示。

國(guó)產(chǎn)氮化鎵突飛猛進(jìn)！

英諾賽科成立于2015年，專注于8寸硅基GaN器件的研發(fā)和制造，目前立足于珠海和蘇州兩大生產(chǎn)基地。
其中，珠海的生產(chǎn)基地已經(jīng)具備了月生產(chǎn)4K的產(chǎn)能，蘇州目前已經(jīng)具備6K到1萬(wàn)片的生產(chǎn)產(chǎn)能，未來(lái)蘇州滿產(chǎn)能將達(dá)到65K每月的產(chǎn)能。
產(chǎn)品方面，英諾賽科在650V高壓領(lǐng)域件已覆蓋150/200/260/480mΩ多類器件，目前80mΩ器件已經(jīng)有樣片，明年將會(huì)有樣片提供給客戶。
低壓方面，在100V到150V實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，涉及到激光雷達(dá)、同步整流、電機(jī)驅(qū)動(dòng)。
同時(shí)，英諾賽科正在開(kāi)發(fā)更低電壓，包括30V、40V，以及小于3mΩ、4mΩ的器件。
此前， TrendForce集邦咨詢發(fā)布了2021年全球GaN功率廠商出貨量市占率預(yù)估。2021年，英諾賽科市占一舉攀升至20%，躍升為全球第三，主要受惠于其高、低壓GaN產(chǎn)品出貨量大幅增長(zhǎng)。其中，快充產(chǎn)品更*進(jìn)入一線筆電廠商供應(yīng)鏈。

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