這些需求自然也推升了半導(dǎo)體材料的突破，所以這兩年我們看到原本主流基于硅的功率半導(dǎo)體因受限于高壓，當(dāng)前行業(yè)正轉(zhuǎn)向更高開關(guān)頻率、最小化開關(guān)損耗的的方案，比如說基于GaN氮化鎵的功率器件——實(shí)現(xiàn)整體AC/DC轉(zhuǎn)換效率達(dá)到大約98%。

 

Yole Developpement今年發(fā)布的GaN Power 2021報(bào)告預(yù)期，到2026年GaN功率市場規(guī)模預(yù)計(jì)會達(dá)到11億美元。所以這兩年活躍于市場的GaN功率器件與更完整的解決方案層出不窮。其中比較具有代表性的是今年英飛凌發(fā)布的CoolGaN™ IPS系列產(chǎn)品：也就是集成了driver和GaN HEMT晶體管的整合型產(chǎn)品。

 

之所以說CoolGaN™ IPS有代表性，主要是因?yàn)槠浼夹g(shù)特性、覆蓋應(yīng)用場景，與當(dāng)代GaN功率器件市場的發(fā)展相當(dāng)契合。藉由這款產(chǎn)品，以及Yole與其他分析機(jī)構(gòu)的預(yù)期數(shù)據(jù)，我們來看看GaN功率市場當(dāng)前的發(fā)展現(xiàn)狀：這種被稱作第三代半導(dǎo)體的一個重要組成部分，未來的市場前景比我們預(yù)想中更好。

 

 

Yole預(yù)期2026年的GaN功率市場規(guī)模為11億美元。我們找兩個統(tǒng)計(jì)機(jī)構(gòu)的參考：Yole這個量級的數(shù)據(jù)預(yù)期和MarketsAndMarkets的數(shù)據(jù)略有差異。后者前兩年的報(bào)告預(yù)期2023年，GaN功率器件市場規(guī)模就能達(dá)到18.9億美元。還有一家做過此類市場統(tǒng)計(jì)的，Allied Market Research數(shù)據(jù)提及2027年GaN功率器件市場規(guī)模到2027年預(yù)計(jì)是12.45億美元

 

三家機(jī)構(gòu)的統(tǒng)計(jì)范圍可能是存在差異的，不過總體上對于GaN功率市場的上升速度預(yù)期比較類似。本文我們主要參考Yole的數(shù)據(jù)。首先我們來談?wù)凣aN功率器件不同應(yīng)用市場的發(fā)展情況。

2020-2026，這一市場的主力應(yīng)用方向預(yù)計(jì)都將是消費(fèi)應(yīng)用：2026年消費(fèi)應(yīng)用會占到整個GaN功率市場的大約61%——2020年這部分市場規(guī)模是2870萬美元，2026年則將大幅擴(kuò)張至6.72億美元，CAGR 69%。從OPPO較早為其手機(jī)配備65W功率的氮化鎵充電器開始，去年諸多手機(jī)OEM廠商和配件供應(yīng)商都開始提供氮化鎵快充解決方案。

 

英飛凌CoolGaN™ IPS(Integrated Power Stage)600V系列方案面向中低功率應(yīng)用，一大目標(biāo)市場就在USB-PD充電器與適配器(另外還包括電機(jī)驅(qū)動器、開關(guān)電源、超薄電視電源等)，主要基于這類型的產(chǎn)品更小的尺寸與更高的功率密度需求。且IPS的集成形態(tài)，將GaN晶體管與EiceDRIVER驅(qū)動器以緊湊的QFN封裝，提升了設(shè)計(jì)的易用度、減少time-to-market時間。事實(shí)上更高的集成度是在GaN晶體管特性的基礎(chǔ)上，做到應(yīng)用小型化、輕盈化的更進(jìn)一步。

 

英飛凌在接受我們采訪時提到，“尤其是半橋架構(gòu)，在一個8*8封裝內(nèi)，集成了上下橋臂的GaN switch，以及兩路driver和隔離單元，尤其適用于ACF，LLC等拓?fù)洌瑹o需使用單獨(dú)的隔離驅(qū)動器，節(jié)省成本和占板面積。”

 

另外一點(diǎn)是以SiP(System-in-Package)的方式集成，加上gate driver的高精度和穩(wěn)定傳輸時延，實(shí)現(xiàn)了較低的系統(tǒng)死區(qū)時間(dead times)。最終實(shí)現(xiàn)的功率密度是35W/inch³。所以我們看到市場上的很多高功率電源適配器尺寸變得越來越小。

Yole在報(bào)告中提到去年功率GaN市場容量是翻倍的，這主要得益于快充應(yīng)用的滲透，而且這種市場趨勢會在配件市場上延續(xù)——尤其是在蘋果、小米、三星等廠商對其旗艦手機(jī)產(chǎn)品不再采用隨機(jī)附贈的充電器解決方案以后。

 

除了消費(fèi)電子市場外，另外兩個比較重要的市場驅(qū)動力是電信與數(shù)據(jù)通訊(telecom & datacom)和汽車(automotive & mobility)市場——也是未來市場起量的重要組成部分。汽車市場的增量在這6年間將實(shí)現(xiàn)CAGR 185%的增長，2026年的市場規(guī)模預(yù)期1.55億美元。

 

而在電信和數(shù)據(jù)通訊市場，對GaN的應(yīng)用會比消費(fèi)市場更早一些，因?yàn)樵撌袌瞿壳皩τ谀芎模懈咝?、尺寸更小的需求。根?jù)英飛凌透露，英飛凌CoolGaN™早就2017年就已經(jīng)在通訊電源和服務(wù)器電源上批量出貨。所以這一市場2020-2026 CAGR會達(dá)到71%，預(yù)期6年后的市場規(guī)?？沙?.23億美元。

 

 

Yole總結(jié)功率GaN市場的技術(shù)趨勢，其中比較重要的一點(diǎn)是以爆發(fā)的快充市場為目標(biāo)，更多的市場參與者會進(jìn)入到GaN-on-Si e-mode(增強(qiáng)型)技術(shù)領(lǐng)域——這一平臺來未來幾年內(nèi)會持續(xù)擴(kuò)容，雖然更大wafer尺寸的外延生長是存在挑戰(zhàn)的。

 

這張圖是相關(guān)GaN-on-Si專利公布數(shù)量這些年的發(fā)展趨勢——不過方向涵蓋了光電、功率、射頻、傳感器等，其中綠色的是我們本次關(guān)注的功率器件部分。其整體大趨勢走勢都在往上。

 

英飛凌CoolGaN™ IPS中的CoolGaN™ HEMT器件就是GaN-on-Si工藝，且以e-mode結(jié)構(gòu)在控制系統(tǒng)成本的情況下實(shí)現(xiàn)較高的效率。英飛凌此前表示，這種e-mode(enhancement mode)提供開關(guān)速度的同時，能夠獲得更好的芯片集成性。

 

GaN HEMT的晶體管層外延生長在硅基上，包括GaN、AlGaN和p型摻雜GaN再做沉積，是為GaN-on-Si。HEMT CoolGaN™晶體管結(jié)構(gòu)如上圖所示?；贕aN-on-Si的HEMT功率器件能夠提供比較出色的FOM(品質(zhì)因數(shù))。值得一提的是，英飛凌表示，GaN晶體管的源極與柵極之間的的內(nèi)在二極管的存在，消除了反向恢復(fù)電荷，對于硬開關(guān)電源半橋解決方案，很適配GaN技術(shù);比如跑在不間斷電流模式下的PFC(功率因數(shù)校正)電路，可獲得較高的效率。

 

所以相關(guān)于e-mode——增強(qiáng)型器件，也是現(xiàn)在的一個熱點(diǎn)。GaN器件在系統(tǒng)中沒有柵極信號的情況下，導(dǎo)通溝道為“normally-on”狀態(tài)即d-mode HEMT，而normally-off模式的為e-mode。對于d-mode晶體管而言有多種技術(shù)實(shí)現(xiàn)normally-off關(guān)斷狀態(tài)，比如說凹槽柵(recessed-gate)技術(shù);或者也可以加個低壓共源共柵開關(guān)晶體管(Cascode級聯(lián)技術(shù))，保持溝道的normally-off態(tài)等。類似這樣的方法會影響到器件工作時的穩(wěn)定性、性能，相比于真正e-mode晶體管會存在一些問題。

 

還有一種方法，也就是前面提到的p-gate結(jié)構(gòu)技術(shù)，以氮化鎵摻雜應(yīng)用于柵極，開關(guān)即默認(rèn)處在normally-off模式。這種方法雖然也存在一些技術(shù)挑戰(zhàn)和難點(diǎn)，但優(yōu)勢在于更高的穩(wěn)定性，而且不需要穩(wěn)壓二極管來保護(hù)柵極;與此同時p-gate隨溫度變化提供更好的動態(tài)RDSon。

 

所以從整體上來看，CoolGaN™ IPS都是相當(dāng)契合GaN功率器件市場與技術(shù)的發(fā)展主流方向的產(chǎn)品。CoolGaN™ IPS是英飛凌最新的寬禁帶功率半導(dǎo)體器件產(chǎn)品組合，其600V產(chǎn)品家族包括半橋和單通道配置方案;將CoolGaN™ e-mode HEMT開關(guān)和EiceDRIVER柵極驅(qū)動器作了整合。這些前文多少也都提到了。

 

可在技術(shù)趨勢方面做補(bǔ)充的是，這里的gate driver驅(qū)動器輸入輸出隔離是基于英飛凌的單芯片無磁芯變壓器CT(Coreless Transformer)技術(shù)。英飛凌告訴我們，這項(xiàng)技術(shù)內(nèi)置于IPS產(chǎn)品之上，提供低時延、耐干擾、高可靠的驅(qū)動隔離。具體體現(xiàn)在(1)低于47ns的時延，支持1MHz高頻開關(guān)，死區(qū)控制更精準(zhǔn)，半橋控制一致性更好;(2)無磁芯變壓器驅(qū)動，氣隙隔離更安全，1A/2A驅(qū)動能力更強(qiáng)。

 

另外，CoolGaNTM IPS采用外部可配置驅(qū)動RC網(wǎng)絡(luò)，優(yōu)化具體路線dv/dt;輸入/輸出級功能絕緣，上、下管可承受更高的dv/dt及共模噪聲干擾，提高產(chǎn)品的可靠性。

 

 

回到GaN功率器件市場的發(fā)展。長期發(fā)展來看，GaN的可靠性、成本效益未來對于滲透更具挑戰(zhàn)性的EV/HEV逆變器市場和工業(yè)市場而言都會具備相當(dāng)?shù)膬r值。這些對于GaN而言都是走量的機(jī)會，市場參與者也已經(jīng)普遍在這方面做部署。

 

對于GaN功率器件在消費(fèi)電子、汽車應(yīng)用市場未來的發(fā)展?jié)摿?，幾乎是我們看到所有分析機(jī)構(gòu)的共識，文首也已經(jīng)提到了。與此同時，Allied Market Research總結(jié)了這一市場的幾個影響因素，比如GaN器件價格的下降，促成各行業(yè)的應(yīng)用;甚至同時提供可一定程度媲美SiC的性能水平，而價格更低。GaN-on-Silicon是獲得價格和性能優(yōu)勢的基礎(chǔ)。

 

另一個重要因素是全球各國政府在HVDC(高壓直流)電力傳輸系統(tǒng)以及智能電網(wǎng)方面的激勵政策，包括中國、日本、美國。GaN功率器件模組的變頻器在HVDC系統(tǒng)中正變得流行，各國政府對于智能電網(wǎng)技術(shù)投入力度很大，這也會成為重要的驅(qū)動力。

 

除此之外，分析機(jī)構(gòu)普遍還提到了電動車、無線充電、5G基礎(chǔ)設(shè)施等技術(shù)發(fā)展對于GaN功率市場的促進(jìn)作用，這些在前文也已經(jīng)提到過。滲透到更多的市場，并且與其他寬禁帶器件構(gòu)成競爭或互補(bǔ)的關(guān)系，將是GaN未來幾年的發(fā)展走向。