高效能、小体积加速GaN消费电子类应用 - 联盟动态中关村天合宽禁带半导体技术创新联盟

来源：第三代半导体联合创新孵化中心 | ID：casazlkj

目前市面上超过99%的集成电路都是以第一代元素半导体材料之一，硅(Si)、锗(Ge)材料在20 世纪50 年代有过高光时刻，广泛应用于低压、低频、中功率晶体管以及光电探测器中，但到了60 年代后期因耐高温和抗辐射性能较差，工艺更难、成本更高逐渐被硅材料取代。

目前第三代半导体材料已逐渐渗透5G、新能源汽车、绿色照明等新兴领域，被认为是半导体行业的重要发展方向。

第三代宽禁带半导体材料(SiC、GaN 等)，因其禁带宽度(Eg)大于或等于2.3 电子伏特(eV)而得名。第三代半导体材料具有优越的性能和能带结构，广泛用于射频器件、光电器件、功率器件等制造，具有很大的发展潜力。

GaN材料的加入使手机充电器快充效率进一步提升。GaN 材料的运行速度比旧式慢速硅加快了20 倍，并且能实现高出三倍的功率。GaN 充电器具备小巧、高效、发热低等优势。
在新能源汽车上，传统功率器件通常采用IGBT技术方案，但近年来随着材料科技的发展，碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）技术正成为技术热点。目前，SiC已实现了车规级应用，GaN尚处于研发阶段。SiC是600V以上高压应用系统的最佳解决方案，GaN是600V以下的应用系统的理想选择。

氮化镓技术最早于1970 年被美国无线电公司用来制造LED，而后基于GaN 的LED 成为了LED 的主流。

除了LED，GaN 也逐渐被使用到了功率半导体和射频器件上。氮化镓器件主要包括射频器件和电力电子器件，射频器件产品包括功率放大器和开关器等，主要面向基站卫星、军用雷达等市场；电力电子器件产品包括场效应晶体管等产品，主要应用于无线充电、电源开关和逆变器等市场。

以充电器为代表，GaN支持下的快充效率翻倍提升

GaN三个特点大幅提升效率：开关频率高、禁断宽度大、更低的导通电阻。开关频率是指充电头内部晶闸管，可控硅等电子元件，每秒可以完全导通、断开的次数。变压器恰好是充电器中体积最大的元器件之一，占据了内部相当大的空间。

开关的频率高可使用体积更小的变压器。使用氮化镓作为变压元件，变压器和电容的体积减少，有助于减少充电头的体积和重量。

禁带宽度直接决定电子器件的耐压和最高工作温度，禁带宽度越大，器件能够承载的电压和温度越高，击穿电压也会越高，功率越高。更低的导通电阻，直接表现为导电时的发热量。导通电阻越低，发热量越低。

2018年ANKER将GaN带出实验室。2018年10月25日ANKER在美国纽约发布了一款划时代的新品—“ANKERPowerPortAtomPD1”GaN充电器，由于其搭载了高频高效的GaN（氮化镓）功率器件而备受业界关注。该款产品也是首次将第三代半导体技术应用在充电设备上，从而将相关技术从实验室带向应用市场。

▼ANKER快充及实际参数

▼小米Type-C65W最大输出功率发热情况

主流厂商依次跟进，高功率，小体积成最明显优势。小米于2020年2月发布了GaN充电器Type-C65W，能够为小米10Pro最高提供50W的充电功率，小米10Pro搭配其使用从0充电至100%仅需45分钟。

同时，它支持小米疾速闪充、PD3.0等快充协议，并且还支持全系iPhone快充，官方表示，使用小米GaN充电器Type-C65W为iPhone11充电，充电速度比原装5W充电器提升约50%。

得益于新型半导体材料GaN的加持，Type-C65W的体积比小米笔记本标配的适配器减小约48%。

此外，小米Type-C65W的USB-C接口支持多个档位的智能调节输出电流，能为新款MacBookPro、小米笔记本等大功率设备进行最大65W充电，还能兼容大多数Type-C接口的电子设备，包括Switch等。产品搭载E-Marker芯片，最大支持5A电流。

目前，业界已推出多种快充技术方案，主要包括高通QuickCharge技术、OPPOVOOC闪充技术、联发科PumpExpress技术、华为SuperCharge技术、vivoSUPERFlashCharge技术和USB3.1PD充电技术等。

▼各充电方案对比

从消费电子快充市场来看，未来随快充需求与GaN渗透率不断提升，2022年市场规模有望达到87.74亿元。随着5G手机各类参数不断提升，内部射频、处理器、屏幕的耗电量在直线上升，电子产品对快充的需求日益提升。

多家厂商发布GaN快充后，目前的售价大部分用户已经可以接受，未来渗透率有望逐步提升。假设智能手机未来三年GaN快充渗透率为1%、3%、5%，可穿戴需求度相对手机端有所降低，三年的渗透率为0.5%、1%、2%。

▼智能手机与可穿戴设备中GaN快充测算

新能源汽车市场拐点已至，GaN功率器件空间可期

新能源汽车拐点已至，发展路径复制智能手机。新能源汽车的竞争格局已出现明显变化。

政策端：全球节能减排，碳排放成国际谈判的重要筹码，国六排放的实行，加速新能源汽车替代传统燃油车。

供给端：全球主流厂商规划将未来重点发展方向放到NEV，有保有量加速提升，目前全球有超过150家车厂已有规划EV新车上市；在自动驾驶水平方面，2019年L2+级别自动驾驶产品在部分车型中已成为标配，部分车型仍需要选装，未来L3级别的自动驾驶有可能会在2020年后正式上市，从供给端来看，智能化水平在加速提升。

需求端：新能源汽车的边际变化来源有两点：车载娱乐及驾乘体验，纯电动与自动驾驶带来的独特驾驶体验，车联网的落地及人车手机生态化的构建，是娱乐化需求的来源。

▼不同自动驾驶级别所对应的智能程度

汽车电子化程度上升是必然趋势，直接带动汽车产业链价值迁移。汽车电子是车体汽车电子控制装置和车载汽车电子控制装置的总称。

其中控制装置包括动力总成控制、底盘和车身电子控制等；车载电子装置包括汽车信息系统导航系统、车载通信系统、车载网络等。

从传统燃油动力车型转向电池动力的过程中，汽车电子化程度将呈现大幅提升，其中两类需求增长最为迅速：1）以智能驾驶为长期驱动力的安全系统（ADAS），是未来实现无人驾驶的重要保障；2）以智能座舱位代表的车载电子、车载通信，是建设车联网及物联网的基础需求。

▼汽车电子占整车成本未来趋近50%

▼新能源汽车是电子化的重要标志

汽车电子市场规模快速发展，国内市场有望超千亿。随着汽车智能化、车联网、安全汽车和新能源汽车时代的到来，汽车电子市场规模不断扩大，从汽车音响空调电子显示屏等，目前已转向助力包括安全系统、娱乐信息系统、车内网络、动力系统等汽车其他相关部件发展上，未来汽车电子市场发展空间还将进一步增加，汽车电子将成为半导体应用的主要增长点。

根据中国汽车工业协会数据，2020年全球汽车电子产品市场的产业规模预计将达到2400亿美元，其中我国汽车电子市场规模将超过1058亿美元。

▼汽车电子涉及主要环节

第三代半导体材料功率器件对于电机、电控、电池三大核心元件的效率提升具有重要意义。从燃油车和新能源车两方面看：在国六排放要求背景下，主流车厂选择以48V轻混作为过度时期的解决方案；在新能源车型中，目前混动新能源汽车占新能源汽车总量的80%以上，电机与电控是核心元器件。

GaN可用于48VDC/DC以及OBC(OnBoardCharger车载充电机)。据Yole的预测，2023年该领域的市场规模将达到2500万美元。新能源汽车无疑是电力电子设备市场的主要驱动力，也是不同技术路线（Si、SiC和GaN）的主要争夺市场。

▼NEV绝大部分零部件将被电子元器件代替

汽车电子涉及高功率的驱动系统与低功率的控制系统，目前解决方案并不统一。从技术上而言，GaN功率器件在48V的混合动力汽车领域将拥有较强的竞争力：SiC更适合大功率主逆变器，Si基GaN功率电子技术更适合小功率DC/DC和AC/DC转换器。

预计到2025年，大部分的轻型车将采用48V逆变器。同时GaN功率器件也可用于车载充电器（OBC）。

目前部分企业正在设计与SiC与GaN兼容的OBC解决方案，若GaN方案的成本和技术足够成熟，GaN在新能源汽车OBC上的使用可能性将会大大提升。

▼新能源汽车驱动系统及控制系统中主要的功率元器件拆分

未来前景看好，目前稳定性仍待提高。由于在新能源汽车的应用中，功率需求相对较大，如在混合动力车型上，包含动力系统在内的电子元器件的成本占比已经达到50%，对器件稳定性和可靠性的要求非常高，需要较长时间的质量认证过程，在此过程中需要投入大量的研发经费；而SiC功率器件也将在如新能源汽车等领域与GaN功率器件的形成直接的竞争。

在这种情况下，GaN功率器件在新能源汽车领域的应用发展可能还需要较长时间。另外，（汽车）激光雷达、数据存储中心、包络追踪等应用都是GaN功率器件新兴的应用市场，基于GaN功率器件的性能优越性，未来市场预期较好，据Yole的预测，上述应用市场在未来5年的年均增速超过65%，部分厂商会已经在高端设备上采用GaN功率器件。因此GaN功率器件未来的市场发展情况除了受到现有的既定市场的影响之外，新兴市场的影响力也不容忽视。

GaN迎来发展机遇

GaN材料性能突出

作为承上启下的宽禁带半导体材料，GaN与Si/SiC相比有突出成本优势氮化镓（GaN）是新一代半导体材料，具有超强的导热效率、耐高温和耐酸碱等特点。

作为承上启下的新型宽禁带半导体材料，其禁带宽度、电子饱和迁移速度、击穿场强和工作温度远远优于Si和GaAs，拥有类似Sic性能优势的禁宽带材料，但具备更大的成本控制潜力。

GaN材料的应用使器件小型化、轻量化，降低了电力电子装置的体积、重量以及制作和生产的成本，能够更好的控制成本，大规模的产业化，实现量产。

相较于硅器件，GaN晶体管更具效率

GaN是直接能隙半导体，带隙能量为3.4Ev，是硅的几倍。更宽的带隙使得GaN更适用于光电子器件。另外，GaN半导体具有1000倍于硅的电子迁移率，且更耐高温，因此更能在高频、高温和高功率的环境下工作。

也就是说，与硅相比，GaN具有更节能、更快、更好的恢复特性等突出优势，能够同时实现高频率和高效率。

总的来说，GaN材料拥有很大带隙，击穿强高达Si的10倍，可大幅降低导通电阻，并可可在高温下工作，非常适合应用在小型快充充电电源上。

GaN充电器不仅具备了低发热小体积的突出优势，更在充电功率转换上更具优势。

▼GaN 和SiC 的性能差异