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四个氮化镓在新应用领域下的机遇!

发布时间:2022-03-17作者来源:萨科微浏览:443

2021年,随着5G、消费电子、工业能源转换和新能源汽车需求的增加,基站、换能器和充电站的需求将大幅增加,对氮化镓和碳化硅馈线的需求将增加。   
  据 TrendForce集邦咨询研究显示,GaN功率元件至2025年市场规模将达 13.2亿美元,年复合成长率高达 94%。  
       

新应用下,氮化镓的“革命”!


  与硅相比,GaN 具有宽带隙、高电子饱和率、高击穿场电场以及较低的传导损耗和 EMF 特性。 GaN能源主要用于消费产品、新能源汽车、通信和数据中心。  
  在碳达峰、碳中和的背景下,氮化镓推动能源转换“革命”。  
  “据2020年全国电力工业统计数据,全国社会用电量高达7.5万亿千瓦时,在这个庞大的数字下,节约的效率是巨大的。由此我们可以看出,GaN的低开关损耗和高频化的特点将会在智慧照明、机电转换、数据中心、智能电动和智能光储上有较广泛的应用。”在2022集邦咨询化合物半导体新应用前瞻分析会上,英诺赛科高级经理贺鹏表示。  
    英诺赛科高级经理 贺鹏  
       

LED照明


         在LED驱动电源中,磁器件和功率器件的散热器的体积占到了整个电源的1/3以上,要实现LED驱动的小型化,降低磁器件的体积,从而降低散热片的体积是一个比较好的路径。
 
  氮化镓在开关速度上比硅有明显的提升,它的开关损耗相对于硅有大幅的减小,而效能有大幅提升。追求小尺寸一般就要牺牲效率,但应用氮化镓可以保证在小尺寸情况下,效率依然可以做到很高。  
       

机电转换


         电机驱动行业已覆盖到我们生活的方方面面,包含常见的电动自行车、电动工具,另外还有仓储机器人、外协机器人、无人机、伺服,还有电机的主驱。  
  以无人机为例,若想提升续航,就意味着对高效能转化的要求;对体积的苛刻,意味着一体化的设计,对高功率密度有更高的要求。  
  氮化镓对驱动器的应用,是对电机系统有一个系统性的综合优化,控制器的控制精度将会有大幅提升。由于驱动器和电机本体尺寸的下降,GaN的应用更有利于驱动器和电机本体的驱动设计,对系统的综合性能和成本都会有一定的优化。  
       

数据中心


         此前,欧盟颁布2023年针对数据中心能效的强制钛金要求。效率从白金的峰值效率94%提升到钛金的96%,这两个点的提升对于服务器电源的设计将会有着质的推动。
 
  贺鹏预计服务器电源在未来的设计上,对集成数据中心的效率,以及集成它的功率密度和降低成本都有一定的考虑。  
       

电动汽车


         未来随着GaN器件在高压领域的研发技术提升,GaN在OBC、BMS以及电机驱动上也会有比较广泛的应用。
 
       

光伏储能


         目前,GaN主要应用在便携式的储能站,使用氮化镓可以降低功耗,提高功率密度,降低成本。  
 

Source:拍信网
 
       

四个挑战,四个机遇!


  会上,就氮化镓器件的挑战和展望,贺鹏提出了四个方面。  
       

Ron*Area vs 价格和通流能力


         GaN器件相较于硅器件,在单位面积Ron Area 方面有一定的优势,而wafer和通流能力方面存在劣势,解决的办法就是在IDM模式下,提升产能,降低单Die的成本,另外就是改善工艺,提升良率,降低wafer的成本。
 
       

驱动


         GaN相对硅的阈值电压和最大值电压都偏低,这就意味着GaN驱动的敏感度更高。解决方法有二,一是引入SK引脚,可将驱动回路和功率回路有效解耦,避免误触发带来的故障;二是由单管到合封,有效降低故障率。  
       

封装和散热


         GaN主流是DFN和CSP封装,散热面积不及硅。我们可以开发顶部散热的封装,以增加散热面积。另外,开发热阻更优的封装形式,比如copper clip,以及FLCSP,它们的热阻会更小。  
       

高耐压和大电流应用


         SiC的高电压高达1700V,GaN最高才达到650V,这就需要对技术路线和工艺进行改进,使得GaN在高压上和大电流上接近并突破理论限值。
 
  在高频应用场景下,对于GaN直驱的驱动器需要有低电压范围、低阈值电压、超好死区时间;其磁性材料需要有低磁损、低寄生参数、更优的高频特性;在超高频的磁件设计方面,对低交流损耗、低寄生参数、集成化设计有一定的要求;另外在高功率密度应用下,由于系统的密度提升带来的对系统散热的要求,以及EMI特性提出了更高的要求,同时对PCB的设计也有更高的要求。  
  “优越的开关特性使GaN功率器件更助力于节能减排,GaN的高频特性也推动了系统的高功率密度发展,作为一个新器件,GaN的研发和应用仍具备更巨大的提升空间和潜力。”贺鹏表示。  
       

国产氮化镓突飞猛进!


  英诺赛科成立于2015年,专注于8寸硅基GaN器件的研发和制造,目前立足于珠海和苏州两大生产基地。  
  其中,珠海的生产基地已经具备了月生产4K的产能,苏州目前已经具备6K到1万片的生产产能,未来苏州满产能将达到65K每月的产能。  
  产品方面,英诺赛科在650V高压领域件已覆盖150/200/260/480mΩ多类器件,目前80mΩ器件已经有样片,明年将会有样片提供给客户。  
  低压方面,在100V到150V实现量产,涉及到激光雷达、同步整流、电机驱动。  
  同时,英诺赛科正在开发更低电压,包括30V、40V,以及小于3mΩ、4mΩ的器件。  
  此前, TrendForce集邦咨询发布了2021年全球GaN功率厂商出货量市占率预估。2021年,英诺赛科市占一举攀升至20%,跃升为全球第三,主要受惠于其高、低压GaN产品出货量大幅增长。其中,快充产品更首次进入一线笔电厂商供应链。  
 



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