开关损耗更低、效率更高,增速超越SiC,GaN开始进军光储、家电市场

随着以SiC、GaN为主的宽禁带半导体材料被推出以后,因其优秀的特性,迅速在多种电力电子设备中应用。目前来看,GaN已经在快充等

随着以SiC、GaN为主的宽禁带半导体材料被推出以后,因其优秀的特性,迅速在多种电力电子设备中应用。目前来看,GaN已经在快充等领域获得了显著的商业化成果,而电动汽车的逆变器则主要采用了SiC。但近年来GaN开始向着全功率市场扩展,甚至朝着SiC的光储、家电等优势领域进发,这或许意味着GaN将改变当前功率半导体领域的竞争格局。

GaN增速开始超越SiC

同为第三代半导体材料,GaN与SiC其实各有优势,并且正在快速抢占传统MOSFET与IGBT等器件的市场。据调研机构Yole数据,2022年全球功率器件市场规模为209亿美元,到2028年将有望达到333亿美元。届时主导市场的MOSFET与IGBT等器件的市场占比将大幅下降,而GaN与SiC的市场份额有望在2028年达到31%。

之所以占比迅速提升,是因为宽禁带半导体器件的优异性能。比如GaN具有更高的开关速度,这意味着在相同的条件下,它可以运行在更高的频率下,从而可以使用更小的无源元件(如电感和电容),进而减小整体系统的体积和重量。并且在低于1200V的中低压应用中,GaN的开关损耗至少比SiC少3倍,这使得GaN在这些应用中效率更高。而对于SiC而言,在高电压应用中表现更佳,可以承受更高的击穿电压,适合于电动汽车、电网基础设施等高压大功率应用。

同时可以在更高的温度下稳定工作,这对于一些极端环境下的应用至关重要。不过有意思的是,据The Information Network的统计数据显示,2021-2025年期间,GaN的复合年均增长率达到53.2%,而SiC为42.5%,意味着GaN的市场增速已经高过了SiC。而Yole的报告也显示,到2029年,GaN将达到24亿美元,尤其是在汽车与移动领域,GaN正快速增长,相比之下,SiC整体变化不大。

从技术角度来看,实现 GaN 技术不断增长的扩散需要克服的主要挑战是可靠性和价格。但可靠性目前已经基本得到解决,商业设备已经能够通过在高于200°C的结温下运行来保证超过100万小时的平均故障时间。另一个则是成本的挑战,但随着GaN技术的进步,其制造成本正在下降,尤其是在大尺寸晶圆上的制造能力提升,这有助于降低GaN器件的成本,使其更具竞争力。

并且在大功率转换领域,尽管SiC仍然处于技术领先地位,这是由于SiC通常具有比GaN器件更小的芯片尺寸。但如今SiC的衬底、外延和制造成本都要高于GaN,这就给了GaN更多的机会。甚至GaN已经开始在光储、家电等SiC强势领域中崭露头角。

众多企业推出GaN光储、家电器件

当前电动汽车逆变器领域仍然是SiC的强项,毕竟SiC在电动汽车逆变器中的应用能够带来显著的性能和经济优势,比如具备高效率、高温稳定性、高耐压能力与高开关频率等。但其实使用GaN能够拥有更高的开关速度。有研究数据显示,电动汽车应用中采用SiC,比传统硅基器件优化了30%,如果采用GaN,由于其高频、高效、和双向转换功能等优势,可为汽车应用再带来额外20%的优化,把系统做得更小、更轻、更高效,运行起来的温度更低。

既然能够用在电动汽车逆变器上,那么光伏微型逆变器自然也不在话下。目前已经有相关企业推出了对应产品,如昱能科技推出的新一代光储混合微型逆变器EZHI,采用了GaN设计,使得产品能够支持高达2400W的持续快速充电,并且在微网和PPS(Power-Protection-System)场景中应用表现出色。并且得益于GaN技术,EZHI微型逆变器具有更好的性能,包括2倍的快速充电能力,这在户外移动电源场景中尤其有用。

2023年氮矽科技发布了国际首款采用TO247-4封装的集成驱动GaN器件,并宣布携手微型逆变器设计厂商涞顿科技和生产厂商安科讯合作开发采用GaN技术的新一代微型逆变器。资料显示,这款GaN产品采用TO247-4封装,内置650V耐压,80mΩ导阻,最大漏源极电流30A的增强型氮化镓晶体管,集成驱动器的开关速度超10MHz,具有零反向恢复损耗。不仅微型逆变器领域,在家用领域中使用GaN的产品也开始显著增多。尤其是GaN功率转换器具有高达300kHz的开关频率和超过92%的效率,功率密度记可高达30W/in3,是正在被取代的硅基充电器功率密度的两倍。

比如近期华硕推出的新款电源供应器——ROG THOR III系列,便采用了GaN技术,从而让这款电源供应器可以实现高达1600W的公电功率,同时降低供电损耗;并且GaN技术的应用也有助于简化电源供应器内部电路板的设计,提升内部散热效率。此外,中科半导体近日也公开表示,中科阿尔法仪表创新产品线团队首次采用了内部集成了GaN PHEMT的先进SiP封装技术,实现了open CPU IOT物联网解决方案的商用。

据介绍,采用GaN后,让该方案仅为传统燃气表主板尺寸的三分之一面积,同时电池能耗得到了大幅改善,成本也得到了极大地优化。并且由于GaN本身高电子迁移率特点,通信平均延时降低了20%。GaN的巨大潜力与商业价值也吸引了更多厂商的入局,除了自研GaN方案外,不少大厂选择以收购的方式进入到GaN市场中。在2023年10月,英飞凌收购了GaN Systems公司,实现了优势互补,可以为客户提供范围更广的GaN产品组合、深入的应用和系统支持、创新解决方案以及各种创新封装。

近期,晶圆代工大厂格芯宣布,收购了Tagore Technology专有功率GaN IP产品组合,根据协议,一支来自Tagore致力于开发GaN技术且经验丰富的工程师团队将加入格芯,这有助于格芯推动汽车、IoT、AI数据中心等广泛电源应用领域的效率与性能发展。相隔一日,美国一家初创公司Guerrilla RF宣布收购了Gallium Semiconductor的GaN功率放大器和前端模块产品组合。Guerilla RF表示,这将为无线基础设施、军事和卫星通信应用开发新的GaN器件产品线并实现商业化。众多企业的相继入局,也证明了对GaN市场的看好。并且随着越来越多GaN相关产品的推出,也意味着GaN的优秀特点正被市场所接受。

 

当前功率半导体领域竞争激烈,但对企业而言选择的因素无非是几个。首要为效率与性能,其次在保证性能的同时还需要降低综合成本,最后则是要求有产品设计的灵活性。而GaN经过多年的发展,目前已经逐渐满足上述三点,甚至成为不少企业的最优解,因此也能看到越来越多的企业开始选择GaN,并且随着这股趋势的形成,势必将改变当下的功率半导体市场格局。

 

(来源:168中自网)
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