新应用下，氮化镓的四个机遇

2021年，随着5G、消费电子、工业能源转换及新能源车等需求拉升，基站、能源转换器及充电桩等应用需求随之大增，氮化镓、碳化硅功率器件需求强劲。

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”！

氮化镓相较硅，具有宽禁带、高电子饱和速度、高击穿节电场的特性，有着更低的导通损耗和EMC特性。GaN功率主要应用在消费性产品、新能源车、通讯及数据中心。

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。

（文：化合物半导体市场 Arely）