世界氮化鎵日，第三代半導體廠(chǎng)商展望行業(yè)“芯”未來(lái)

前言

氮化鎵器件在快充等小功率應用上，已經(jīng)充分驗證了器件的可靠性和壽命。使用第三代半導體在快充上，可以提升功率密度，減小充電器體積，提供更多接口，對消費者更加友好。對于大功率應用來(lái)說(shuō)，使用氮化鎵器件能夠顯著(zhù)降低開(kāi)關(guān)損耗，提升轉換效率，并降低散熱需求和總體成本。

目前新能源汽車(chē)，光伏以及儲能的高速發(fā)展，為第三代半導體在大功率場(chǎng)景應用鋪平了道路，也為第三代半導體帶來(lái)了新的平臺。目前已經(jīng)有氮化鎵器件應用在大功率戶(hù)外電源產(chǎn)品上，將氮化鎵低損耗的特性引入，減輕設備重量，提升消費者的使用體驗。

【資料圖】

以大功率戶(hù)外電源為例，650V耐壓的氮化鎵器件已經(jīng)應用在功率為2200W的戶(hù)外電源中，提高了PFC工作頻率，減小磁性元件體積。還有多款大功率PC電源也已經(jīng)引入氮化鎵器件到PFC電路中，提高轉換效率，沖擊更高能效標準。

通過(guò)充電頭網(wǎng)的拆解文章，發(fā)現了氮化鎵已經(jīng)在大功率場(chǎng)合中展露頭角，拋磚引玉，氮化鎵未來(lái)的發(fā)展還需要整個(gè)行業(yè)的共同努力。

世界氮化鎵日由來(lái)

氮化鎵是一種由氮和鎵結合而來(lái)的化合物，其中氮在元素周期表排序第7位，鎵排序第31位，7月31日世界氮化鎵日因此得名，同時(shí)也以英文名GaN Day傳播到全球，并獲得行業(yè)廣泛認可。自2020年充電頭網(wǎng)聯(lián)合多家第三代半導體企業(yè)首次提出GaN Day這一紀念日，到目前已經(jīng)有3年多的市場(chǎng)沉淀。

每年GaN Day前后，第三代半導體行業(yè)都將舉辦相關(guān)活動(dòng)用于紀念氮化鎵新技術(shù)在眾多領(lǐng)域的革新應用，今年也不例外。7月31日是世界氮化鎵日，本次充電頭網(wǎng)以世界氮化鎵日為契機，收集眾多行業(yè)大咖對第三代半導體行業(yè)未來(lái)展望，共同探討行業(yè)的現在與未來(lái)。

大咖說(shuō)

Innoscience 英諾賽科

CEO 吳金剛

氮化鎵是第三代半導體領(lǐng)域的明星材料，2020年在手機快充領(lǐng)域得到爆發(fā)性應用，實(shí)現了氮化鎵產(chǎn)業(yè)的第一個(gè)小高峰。2022年，除了龐大的消費電子市場(chǎng)，在A(yíng)I、通信、自動(dòng)駕駛、儲能等新技術(shù)的推動(dòng)下，數據中心、汽車(chē)電子、新能源等領(lǐng)域對氮化鎵的需求也逐漸顯現。2023年上半年，氮化鎵廠(chǎng)商新品頻發(fā)，行業(yè)并購、出貨猛增等眾多利好消息接踵而來(lái)，呈現出一片欣欣向榮的景象。

英諾賽科作為氮化鎵行業(yè)的領(lǐng)先代表，出貨量已突破2.7億顆，2023年上半年銷(xiāo)售額相比去年同期增長(cháng)了500%，產(chǎn)品應用也從消費類(lèi)電子逐步拓展到數據中心、汽車(chē)電子、新能源與儲能領(lǐng)域。相較于其他氮化鎵公司，英諾賽科擁有更為先進(jìn)的8英寸硅基氮化鎵研發(fā)和制造平臺，覆蓋高、中、低壓全系列氮化鎵產(chǎn)品，當前產(chǎn)能已達到每月15000片，具備大規模量產(chǎn)的優(yōu)勢。同時(shí)集設計、研發(fā)、生產(chǎn)與銷(xiāo)售于一體，能夠快速實(shí)現產(chǎn)品的更新迭代，推進(jìn)終端應用。未來(lái)氮化鎵市場(chǎng)還將持續增長(cháng)，英諾賽科也希望與上下游企業(yè)共同攜手，逐步引領(lǐng)氮化鎵產(chǎn)業(yè)鏈走向規范化，加速行業(yè)生態(tài)的構建。

Power Integrations

市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)副總裁 Doug Bailey

Power Integrations發(fā)現，對于高性能的緊湊型電源而言，氮化鎵是成本最低的方案。這是因為氮化鎵效率高，可減少或消除對散熱片的需求，并允許設計人員使用簡(jiǎn)單的反激拓撲結構，從而省去LLC或非對稱(chēng)半橋(AHB)等復雜拓撲結構所需的額外開(kāi)關(guān)。

但是，要優(yōu)化氮化鎵的潛力，就需要新的系統級思維。由于氮化鎵更接近于理想開(kāi)關(guān)，因此已無(wú)需使用當初為彌補硅開(kāi)關(guān)的缺點(diǎn)而發(fā)明的舊拓撲結構。具體而言，氮化鎵器件的開(kāi)關(guān)切換速度非?？?，柵極電容和輸出電容COSS非常低。但這也帶來(lái)了一系列不同的設計挑戰。Power Integrations發(fā)現，使用氮化鎵的最佳方法是將其與控制器IC集成到一個(gè)封裝中。我們開(kāi)發(fā)了氮化鎵子系統，如InnoSwitch?反激式電源IC、功率因數校正HiperPFS-5?器件和LytSwitch-6? LED驅動(dòng)器。我們已經(jīng)開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品在筆記本電腦適配器、手機充電器、小型電源、LED照明等方面表現出色，但還有許多應用有待我們去開(kāi)發(fā)，因此最大的挑戰是完成這些系統級設計并將其推向市場(chǎng)。

由于氮化鎵接近理想開(kāi)關(guān)，我認為“應選盡選”：只要能上，就應該使用氮化鎵。我認為氮化鎵基本上會(huì )取代較低電壓的產(chǎn)品 - 從市電電壓到1200V；大體而言，氮化鎵將在一定功率范圍內占據整個(gè)市場(chǎng)，尤其是可變功率應用。這與氮化鎵的技術(shù)發(fā)展有關(guān)：隨著(zhù)氮化鎵電壓的提高，它將取代碳化硅；隨著(zhù)其載流能力的提高，氮化鎵將取代IGBT。

CorEnergy 能華

創(chuàng )始人兼總經(jīng)理 朱廷剛

在又一個(gè)國際氮化鎵日到來(lái)之際，作為一名長(cháng)期耕耘在氮化鎵領(lǐng)域的老兵，我很高興看到使用氮化鎵材料制備的芯片及其應用方案被越來(lái)越多的客戶(hù)認可和使用。今年上半年在深圳舉辦的充電頭展會(huì )，參展的廠(chǎng)商和參觀(guān)的客戶(hù)數量之多，就說(shuō)明了氮化鎵這個(gè)行業(yè)目前有多火熱。在“雙碳”的背景下，幾乎所有的產(chǎn)業(yè)結構將面臨深刻的低碳轉型挑戰，新的半導體材料技術(shù)將會(huì )引領(lǐng)能源產(chǎn)業(yè)變革，實(shí)現創(chuàng )新驅動(dòng)發(fā)展。氮化鎵芯片能夠給電源功率模塊帶來(lái)在性能、尺寸和重量等方面的優(yōu)勢，意味著(zhù)GaN可以為可持續性的減少碳排放做出重大貢獻。

能華半導體的愿景就是用GaN塑造一個(gè)更綠色的世界。在應用領(lǐng)域方面，氮化鎵在消費電子領(lǐng)域還會(huì )有很大的成長(cháng)空間。因為越來(lái)越多的消費者已經(jīng)崇尚于使用體積小、重量輕、速度快的快充充電頭，這給氮化鎵充電頭提供了一個(gè)很好的市場(chǎng)機遇。同時(shí)PD 3.1快充標準的發(fā)布，對于充電行業(yè)而言是一次里程碑的升級，突破了長(cháng)期以來(lái)的100W限制，實(shí)現了240W的翻倍式增長(cháng)，同時(shí)輸出電壓也實(shí)現了最高48V的覆蓋，可滿(mǎn)足消費類(lèi)、工業(yè)類(lèi)等多領(lǐng)域產(chǎn)品的應用，使得快充可適用市場(chǎng)得到進(jìn)一步擴大。

同時(shí)，PD標準的統一和升級，有利于消費者在更多的產(chǎn)品品牌和類(lèi)型中選擇符合自己需求的充電頭，推動(dòng)需求的進(jìn)一步增長(cháng)。另外，氮化鎵在儲能、數據中心和新能源領(lǐng)域，未來(lái)2-3年將會(huì )出現爆發(fā)性的增長(cháng)。比如，氮化鎵可以助力新型電動(dòng)車(chē)充電樁的開(kāi)發(fā)，實(shí)現充電數分鐘，續航數百公里這樣的目標，從而消除電動(dòng)車(chē)車(chē)主的里程焦慮，助推電動(dòng)車(chē)的發(fā)展。

我相信，未來(lái)幾年，氮化鎵會(huì )比當下的碳化硅還要火熱。因此，能華半導體的研發(fā)、產(chǎn)品和應用開(kāi)發(fā)，也在從消費電子走向工業(yè)級的應用。在行業(yè)競爭格局方面，歐美企業(yè)在基礎技術(shù)、創(chuàng )新和專(zhuān)利積累等方面仍然具有較大優(yōu)勢，而國內在應用、市場(chǎng)和制造方面有優(yōu)勢，并且在技術(shù)創(chuàng )新上正迎頭趕上。在自主國產(chǎn)替代的背景下，在再全球化的趨勢下，中國的企業(yè)包括能華半導體已經(jīng)，也將會(huì )繼續取得長(cháng)足的進(jìn)步，為低碳綠色的世界做出自己的一份貢獻。

DGCX 成希電子

CEO 劉愿新

從手機、筆記本充電器到戶(hù)外移動(dòng)電源、智慧照明、車(chē)載充電/電能轉換設備，氮化鎵技術(shù)具有非常高的市場(chǎng)規模和技術(shù)上升空間，代表了新一代充電技術(shù)發(fā)展方向?？梢灶A見(jiàn)未來(lái)氮化鎵充電領(lǐng)域，產(chǎn)品將重點(diǎn)圍繞低損耗、高穩定性、高功率密度。而隨著(zhù)氮化鎵技術(shù)的不斷發(fā)展，氮化鎵技術(shù)也就改變我們的生活，未來(lái)很多新興領(lǐng)域比如電力傳輸，醫療設備，光伏儲能，電動(dòng)汽車(chē)，航空電源等新場(chǎng)景上又一次新的能源轉換“革命”。

GaN Systems

業(yè)務(wù)開(kāi)發(fā)副總裁 莊淵棋

以氮化鎵、碳化硅為首的第三代半導體發(fā)展，對支撐國家雙碳目標實(shí)現、并實(shí)現高度智能化、數字化及電氣化的社會(huì )上，扮演舉足輕重的角色。氮化鎵功率半導體尤其正處應用爆發(fā)的轉折點(diǎn)，應用領(lǐng)域正從手機快充快速向數據中心、再生能源、工業(yè)及電動(dòng)車(chē)領(lǐng)域擴展，對這些應用領(lǐng)域中電力系統效率優(yōu)化做出貢獻。

電動(dòng)車(chē)作為氮化鎵功率半導體的殺手級應用，近年發(fā)展態(tài)勢猛烈，銷(xiāo)量屢創(chuàng )新高。我國在新能源車(chē)發(fā)展上領(lǐng)先全球，不僅銷(xiāo)量水平早已超越其他國家，消費者對電動(dòng)車(chē)選購的態(tài)度也正從購車(chē)補貼逐漸轉移，進(jìn)而根據功能與價(jià)格作為衡量指標。對此，繼碳化硅后，氮化鎵功率半導體成為電動(dòng)車(chē)廠(chǎng)另一項重點(diǎn)研發(fā)項目，致力透過(guò)氮化鎵功率器件卓越特性，為電動(dòng)車(chē)帶來(lái)效率、續航里程、甚至總物料成本上的突破，我們也已觀(guān)察到氮化鎵在車(chē)載充電器及DC-DC轉換器上的應用正加速實(shí)現。

利用氮化鎵技術(shù)提高效率、功率密度、與經(jīng)濟效益的新興應用已經(jīng)出現，功率半導體在整體半導體市場(chǎng)景氣下修階段仍維持強勁漲勢，我們期望看到更多跨產(chǎn)業(yè)鏈合作及人才投入，為氮化鎵功率半導體技術(shù)縮短學(xué)習曲線(xiàn)，并開(kāi)啟更多應用可能。

Vergiga 威兆

董事長(cháng) 李偉聰

近幾年在全產(chǎn)業(yè)鏈的共同努力下，氮化鎵功率器件迅速占領(lǐng)快充消費類(lèi)市場(chǎng)，基本實(shí)現了對硅基器件的市場(chǎng)替代。從最初的65W發(fā)展到如今的18W-300W PD快充，氮化鎵器件向市場(chǎng)證明了其優(yōu)越的性能及帶來(lái)的體積和成本優(yōu)勢，其可靠性也逐步被市場(chǎng)所認可。在市場(chǎng)的推動(dòng)及產(chǎn)業(yè)界的努力下，氮化鎵功率器件的成本已逐步下探至接近硅基器件，有望在其余消費類(lèi)市場(chǎng)如家電、適配器等實(shí)現硅基器件的市場(chǎng)替代。同時(shí)，基于氮化鎵器件性能和可靠性的逐步改善及市場(chǎng)認可度提升，各大廠(chǎng)商積極布局并推進(jìn)氮化鎵器件在工業(yè)端的應用，如微型逆變器、數據中心、儲能等。國產(chǎn)化方面，國內氮化鎵器件已具備從襯底外延到成品的全國產(chǎn)化產(chǎn)業(yè)鏈，有望在第三代半導體器件實(shí)現彎道超車(chē)。

威兆半導體始終聚焦功率器件研發(fā)與應用技術(shù)研究，憑借十年的攻關(guān)已成為少數同時(shí)具備硅基低壓、中壓、高壓全系列功率MOSFET / IGBT單管和模塊，以及特殊半導體制程設計能力的先進(jìn)半導體設計公司。同時(shí)，威兆積極布局第三代半導體，研發(fā)多款SiC MOSFET和GaN HEMT系列產(chǎn)品，加速功率器件國產(chǎn)自主化進(jìn)程。

TI 德州儀器

氮化鎵產(chǎn)品線(xiàn)經(jīng)理 Abhi Muppiri

在數據中心、通信電源、光伏逆變器、電力輸送等應用中，氮化鎵 (GaN) 正成為提高功率密度和電源效率的關(guān)鍵技術(shù)。使用 GaN 替代硅的公司數量也在迅速增長(cháng)。在德州儀器看來(lái)，以下三個(gè)原因解釋了 GaN 如何帶來(lái)電源管理變革：

首先，雖然 GaN 被認為是一項充滿(mǎn)挑戰性的設計技術(shù)，德州儀器通過(guò)在芯片中集成柵極驅動(dòng)器和多種保護功能，簡(jiǎn)化了 GaN 設計，可使設計人員更大程度地利用這項技術(shù)的優(yōu)勢。

其次， GaN已發(fā)展了多年，具有一定的可靠性。德州儀器 GaN 芯片通過(guò)了 4,000 萬(wàn)小時(shí)以上的可靠性測試及車(chē)規級認證，在要求嚴苛的工業(yè)領(lǐng)域也已有超過(guò)五年的應用。

最后，盡管目前 GaN 芯片比硅芯片價(jià)格高，但 GaN 帶來(lái)的系統成本優(yōu)勢、效率和功率密度的提升能超過(guò)初始投資的價(jià)值。例如，在 100 兆瓦數據中心中，使用基于 GaN 的電源管理系統，即使效率增益是 0.8%，也能在 10 年間節約近 5000 萬(wàn)元的能源成本。

LIHOMICRO 力宏微

CEO 鐘惠生

隨著(zhù)半導體器件的飛速發(fā)展，目前第三代半導體已經(jīng)進(jìn)入了新能源汽車(chē)，光伏逆變，5G基站，PD快充等領(lǐng)域，SIC器件主要應用在新能源汽車(chē)和工控等領(lǐng)域，Gan器件主要應用在5G基站及消費電源等領(lǐng)域。相較于傳統硅器件，SIC MOS是高壓大電流的導通電阻小，開(kāi)關(guān)速度快,特別適用于新能源汽車(chē)的逆變應用。隨著(zhù)新一輪的產(chǎn)業(yè)發(fā)展，這對第三代半導體器件意味著(zhù)一個(gè)巨大的市場(chǎng)前景。LIHOMICRO的SIC器件針對客戶(hù)群體的不同需求及越來(lái)越多客戶(hù)的使用，將會(huì )在SIC器件上完善技術(shù)的升級和產(chǎn)品的迭代，有望催生新一輪成長(cháng)。

TAGOR 泰高

市場(chǎng)拓展副總 潘秋雄

在討論氮化鎵材料（GaN）的特性時(shí)，我們不能僅僅把它局限于電源產(chǎn)品上的應用。因為GaN具有眾多出色的性能，尤其在無(wú)線(xiàn)通信市場(chǎng)方面，它的應用非常適合。泰高技術(shù)有限公司是一家專(zhuān)注于氮化鎵射頻前端芯片的半導體公司。憑借著(zhù)在氮化鎵射頻領(lǐng)域的發(fā)明專(zhuān)利，該公司成功研發(fā)了一系列高功率氮化鎵射頻前端芯片。

這些創(chuàng )新的芯片能夠顯著(zhù)提升無(wú)線(xiàn)通信距離并提高圖像傳輸質(zhì)量。采用泰高技術(shù)的氮化鎵設計，這些芯片具有更高的功率密度和更低的能耗。這項創(chuàng )新技術(shù)不僅提升了產(chǎn)品的整體性能，而且對無(wú)線(xiàn)通信領(lǐng)域帶來(lái)了革命性的突破。泰高技術(shù)的氮化鎵射頻器件的關(guān)鍵技術(shù)，使得在城市密集區域的覆蓋范圍增加了4.5倍。此外，在視線(xiàn)受限的環(huán)境中，傳輸距離擴大了2倍，并且傳輸速率提高了2-4倍。同時(shí)，功率損失減少了10倍以上，但保持了相同的通信范圍和傳輸量。

充電頭網(wǎng)總結

第三代半導體的廣泛應用，改寫(xiě)了傳統的電源轉換方式，通過(guò)降低的開(kāi)關(guān)損耗，提升電源的開(kāi)關(guān)頻率，一方面減小電源體積，另一方面提升轉換效率，為消費者帶來(lái)可感知的科技進(jìn)步。展望未來(lái)，氮化鎵器件將在更高功率的應用中發(fā)揮價(jià)值，提升電源系統的效率，減少電能的浪費，貫徹綠色低碳理念。

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