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氮化镓市场前景一片光明,商业化产品加速推进

2018-12-31
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在很长一段时间内,对基于GaN的解决方案的开发主要有由研发机构和实验室进行。今天这种情况发生了变化。在法国Yole公司发布的年度报告《电力GaN:外延、器件、应用和技术趋势》中,Yole表示,许多电力电子和化合物半导体公司,包括英飞凌、意法半导体等领先企业等,深入参与到发展项目。不过其也强调,其中一些企业已经推出了GaN产品线,但并未占主流。

 

如图所示,未来GaN市场将由两方面组成,包括传统GaN应用和更有潜力的市场两方面

 

发展背景

 

今天,从理论的角度来看,GaN提供了超越传统Si MOSFET的出色技术优势,这一点非常清楚。该技术非常吸引人,越来越多的企业正在进入该领域;而且,降低价格可能使GaN器件成为目前使用的Si基功率开关晶体管的有力竞争者。

 

System Plus咨询公司半导体设备部门负责人Elena Barbarini博士说:“然而,技术全景还不清楚;每个制造商都提供芯片设计和封装集成解决方案。这带来了激烈的竞争,将加速在集成和更优性能方面的技术创新。”

 

相较于先前使用的硅晶体管,氮化镓(GaN)可以让全新的电源应用在同等电压条件下以更高的开关频率运行。这意味着在相同条件下,GaN可实现比基于硅材料的解决方案具有更高的效率。

 

目前GaN市场主要玩家,从IDM到Foundry再到Fabless一应俱全

 

场景一:电源

 

GaN将在功率密集的地方找到用武之地。因为它能够在保持或提升效率的同时,使电源更小巧。目前,GaN正被设计用于电子电源,电子电源将电力在交流和直流形式之间进行转换,改变电压电平并执行多种功能,以确保清洁电力的可用性。对于某些产品来说,GaN与性能直接相关,它所发挥的作用只取决于不同的应用。

 

这种技术能够影响到您插入到墙上电源插座中的任何设备,例如个人电脑适配器、音频/视频接收器和数字电视。插墙式适配器占用了很多空间且不太美观,而它们因发热所浪费的电量也不可小视。GaN可以在很大程度上缓解这些问题,并节省电费。

 

在音频应用中,性能会被无意中传入音频信号的电噪声所影响。GaN的较低电容可通过最大程度地减小寄生振铃并优化转换次数来将失真降到最低,从而有助于尽可能地减少噪音。

 

在数据中心和服务器中,GaN减少了为云端供电的电源损耗。此外,GaN在缩小电源解决方案尺寸方面所具有的能力将腾出空间供更多处理器、存储器或存储使用。

 

对于那些专注于网络交换设备电信电源的客户而言,他们也有着同样的顾虑。研发全新的更高电压架构以降低配电损耗并充分利用GaN实现更低电压的一步转换是目前行业发展的趋势,而之前在相似的硅材料解决方案中,这种转换的效率并不高。例如,在基站中,客户可以通过保持标准48伏的电压并将该电压直接转换成数字电路所需的电压电平来降低功率损耗。目前常见的架构则会先将电源电压从48伏降到12伏,然后进一步将电压降至数字电路所需的电压电平。现在,客户可以使用更少的转换器,从而减少功率损耗。

 

在未来的几年里,GaN在提供更大输出功率的同时减小适配器尺寸。随之而来的将是便于携带,同时也支持更高容量电池的插墙式适配器,这些大容量电池可支持更长的运行时间,以及为更大/效果更佳的显示器供电。

 

尽管目前GaN电源市场与328亿美元的硅电源市场相比仍然很小,但GaN器件正自信地渗透到不同的应用中。

 

功率GaN市场中的最大份额仍然是电源应用,即手机的快速充电。今年,Navitas和Exagan推出了带有集成GaN解决方案的45W快速充电电源适配器。LiDAR应用是高端解决方案,可充分利用GaN功率器件中的高频开关。

 

Yole技术与市场分析师Ana Villamor博士评论道:“在各种应用市场中,市场增长的积累,特别是在这种情况下最重要的电源市场,确认了我们的第一个场景。在该基础场景下,预计GaN市场将稳步增长。Yole预计GaN市场将在2017年至2023年之间以55%的复合年增长率增长。

 

德州仪器近日宣布推出支持高达10kW应用的新型即用型600 V GaN,50mΩ和70mΩ功率级产品组合。包括LMG3410R070、LMG3411R070和LMG3410R050,它们具有集成式驱动器和保护装置。每件设备都能做到兆赫兹开关和提供数千瓦功率 - 这实现了前所未有的更小巧和更高效率的设计。与AC/DC电源、机器人、可再生能源、电网基础设施、电信和个人电子应用中的硅场效应晶体管相比,LMG341x系列使设计人员能够创建更小、更高效和更高性能的设计。

 

除了600V GaN之外,TI还推出了集成了 80V、10A 驱动器和 GaN 半桥功率级的LMG5200 ,采用增强模式GaN FET 提供了一套集成功率级解决方案。该器件包含两个 80V GaN FET,它们由采用半桥配置的同一高频 GaN FET 驱动器提供驱动。

 

场景二:充电

 

然而,这种分析并不是看未来产业的唯一途径。Yole的Power&Wireless团队进一步表示。一些业内人士证实,领先的智能手机制造商Apple考虑将GaN技术作为其无线充电解决方案,这些有可能带来GaN功率器件市场爆炸的杀手级应用。

 

Yole的功率&无线部门及技术&市场分析师Ezgi Dogmus博士评论道:“毫无疑问,苹果或其他智能手机巨头对GaN的预期应用将彻底改变市场的动态,并最终为GaN功率器件行业提供生机。事实上,我们可以想象,在像苹果这样的公司采用氮化镓之后,许多其他公司将继续关注商业电子市场。”

 

更多领域

 

多个企业,如EPC和Transphorm,已经获得汽车认证,为GaN的潜在增长做准备。此外,BMW i Ventures对GaN系统的投资清楚地表明了汽车行业对基于的GaN的EV/HEV技术解决方案也感兴趣......在全球范围内,Yole的第二个场景,名为Bull Case Scenario,更具发展性,条件是有领先的商业制造商采取GaN无线充电解决方案

 

在该场景下,到2023年,GaN功率业务可能达到约4.23亿美元,2017年至2023年的复合年增长率为93%。

如图所示,GaN的MOSFET和传统MOSFET类似,增强型产品由于比耗尽型产品优势更多,所以大部分企业推出增强型(E-mode)产品。

 

实际上包括Transphorm等公司,已经从耗尽型转向了增强型器件。

 

与此同时,为了实现更高的功率密度,TI等公司采用SiP封装,芯片内部集成了高速驱动器、EMI 控制、过热和过流保护等功能。集成式器件使布局得以优化,能够最大限度地减少寄生电感、提高 dv/dt 抗扰性 (CMTI),并缩小布板空间。

 

质量可靠保证

 

一项新技术如何才能实现正式的商用化?其中最重要的就是要确保产品的高可靠性。

 

正如德州仪器GaN解决方案高级技术战略经理 Masoud Beheshti表示,“在正式发布产品之前,TI投入大量人力物力, 累计进行了超过2000万小时的设备可靠性测试,使得电源设计工程师可以更放心地在各种电源应用中使用GaN。”

 

TI始终引领着提倡开发和实施全面性方法,确保在严苛操作环境下,GaN设备也能够可靠地运行和具有出色的使用寿命。为此,TI采用传统的硅方法制作GaN的硅基,从而利用硅的内在特性。此外,压力测试需要包括常见于开关电源设备的硬开关工作模式,而这恰恰是传统硅晶体管无法解决的问题。TI的测试主要集中于以下四个领域:

 

设备可靠性:符合设备的工程设计;构建设备内在的使用寿命。

 

应用健全性:在加速环境下,整合任务剖面条件,模拟真实应用情形。

 

制造:专注于生产流程优化和产能改进。

 

符合电子工程设计发展联合协会(JEDEC)质量要求:通过提速测试设备质量和存活能力,来预见产品的低缺陷率和故障率。

 

总而言之,GaN目前已经可以实现正式商用化,这也让包括Yole在内的分析机构对GaN的未来有了无限憧憬。


来源:大国重器等网络综合整理,如涉及版权问题,请及时联系删除。


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