開關損耗更低、效率更高，增速超越SiC，GaN開始進軍光儲、家電市場

電子發(fā)燒友網(wǎng)報道（文/黃山明）隨著以SiC、GaN為主的寬禁帶半導體材料被推出以后，因其優(yōu)秀的特性，迅速在多種電力電子設備中應用。目前來看，GaN已經在快充等領域獲得了顯著的商業(yè)化成果，而電動汽車的逆變器則主要采用了SiC。

但近年來GaN開始向著全功率市場擴展，甚至朝著SiC的光儲、家電等優(yōu)勢領域進發(fā)，這或許意味著GaN將改變當前功率半導體領域的競爭格局。

GaN增速開始超越SiC

同為第三代半導體材料，GaN與SiC其實各有優(yōu)勢，并且正在快速搶占傳統(tǒng)MOSFET與IGBT等器件的市場。據(jù)調研機構Yole數(shù)據(jù)，2022年全球功率器件市場規(guī)模為209億美元，到2028年將有望達到333億美元。

屆時主導市場的MOSFET與IGBT等器件的市場占比將大幅下降，而GaN與SiC的市場份額有望在2028年達到31%。

之所以占比迅速提升，是因為寬禁帶半導體器件的優(yōu)異性能。比如GaN具有更高的開關速度，這意味著在相同的條件下，它可以運行在更高的頻率下，從而可以使用更小的無源元件（如電感和電容），進而減小整體系統(tǒng)的體積和重量。

并且在低于1200V的中低壓應用中，GaN的開關損耗至少比SiC少3倍，這使得GaN在這些應用中效率更高。

而對于SiC而言，在高電壓應用中表現(xiàn)更佳，可以承受更高的擊穿電壓，適合于電動汽車、電網(wǎng)基礎設施等高壓大功率應用。同時可以在更高的溫度下穩(wěn)定工作，這對于一些極端環(huán)境下的應用至關重要。

不過有意思的是，據(jù)The Information Network的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，2021-2025年期間，GaN的復合年均增長率達到53.2%，而SiC為42.5%，意味著GaN的市場增速已經高過了SiC。而Yole的報告也顯示，到2029年，GaN將達到24億美元，尤其是在汽車與移動領域，GaN正快速增長，相比之下，SiC整體變化不大。

從技術角度來看，實現(xiàn) GaN 技術不斷增長的擴散需要克服的主要挑戰(zhàn)是可靠性和價格。但可靠性目前已經基本得到解決，商業(yè)設備已經能夠通過在高于200°C的結溫下運行來保證超過100萬小時的平均故障時間。

另一個則是成本的挑戰(zhàn)，但隨著GaN技術的進步，其制造成本正在下降，尤其是在大尺寸晶圓上的制造能力提升，這有助于降低GaN器件的成本，使其更具競爭力。

并且在大功率轉換領域，盡管SiC仍然處于技術領先地位，這是由于SiC通常具有比GaN器件更小的芯片尺寸。但如今SiC的襯底、外延和制造成本都要高于GaN，這就給了GaN更多的機會。甚至GaN已經開始在光儲、家電等SiC強勢領域中嶄露頭角。

眾多企業(yè)推出GaN光儲、家電器件

當前電動汽車逆變器領域仍然是SiC的強項，畢竟SiC在電動汽車逆變器中的應用能夠帶來顯著的性能和經濟優(yōu)勢，比如具備高效率、高溫穩(wěn)定性、高耐壓能力與高開關頻率等。但其實使用GaN能夠擁有更高的開關速度。

有研究數(shù)據(jù)顯示，電動汽車應用中采用SiC，比傳統(tǒng)硅基器件優(yōu)化了30%，如果采用GaN，由于其高頻、高效、和雙向轉換功能等優(yōu)勢，可為汽車應用再帶來額外20%的優(yōu)化，把系統(tǒng)做得更小、更輕、更高效，運行起來的溫度更低。

既然能夠用在電動汽車逆變器上，那么光伏微型逆變器自然也不在話下。目前已經有相關企業(yè)推出了對應產品，如昱能科技推出的新一代光儲混合微型逆變器EZHI，采用了GaN設計，使得產品能夠支持高達2400W的持續(xù)快速充電，并且在微網(wǎng)和PPS（Power-Protection-System）場景中應用表現(xiàn)出色。

并且得益于GaN技術，EZHI微型逆變器具有更好的性能，包括2倍的快速充電能力，這在戶外移動電源場景中尤其有用。

2023年氮矽科技發(fā)布了國際首款采用TO247-4封裝的集成驅動GaN器件，并宣布攜手微型逆變器設計廠商淶頓科技和生產廠商安科訊合作開發(fā)采用GaN技術的新一代微型逆變器。

資料顯示，這款GaN產品采用TO247-4封裝，內置650V耐壓，80mΩ導阻，最大漏源極電流30A的增強型氮化鎵晶體管，集成驅動器的開關速度超10MHz，具有零反向恢復損耗。

不僅微型逆變器領域，在家用領域中使用GaN的產品也開始顯著增多。尤其是GaN功率轉換器具有高達300kHz的開關頻率和超過92%的效率，功率密度記可高達30W/in3，是正在被取代的硅基充電器功率密度的兩倍。

比如近期華碩推出的新款電源供應器——ROG THOR III系列，便采用了GaN技術，從而讓這款電源供應器可以實現(xiàn)高達1600W的公電功率，同時降低供電損耗；并且GaN技術的應用也有助于簡化電源供應器內部電路板的設計，提升內部散熱效率。

此外，中科半導體近日也公開表示，中科阿爾法儀表創(chuàng)新產品線團隊首次采用了內部集成了GaN PHEMT的先進SiP封裝技術，實現(xiàn)了open CPU IOT物聯(lián)網(wǎng)解決方案的商用。

據(jù)介紹，采用GaN后，讓該方案僅為傳統(tǒng)燃氣表主板尺寸的三分之一面積，同時電池能耗得到了大幅改善，成本也得到了極大地優(yōu)化。并且由于GaN本身高電子遷移率特點，通信平均延時降低了20%。

GaN的巨大潛力與商業(yè)價值也吸引了更多廠商的入局，除了自研GaN方案外，不少大廠選擇以收購的方式進入到GaN市場中。在2023年10月，英飛凌收購了GaN Systems公司，實現(xiàn)了優(yōu)勢互補，可以為客戶提供范圍更廣的GaN產品組合、深入的應用和系統(tǒng)支持、創(chuàng)新解決方案以及各種創(chuàng)新封裝。

近期，晶圓代工大廠格芯宣布，收購了Tagore Technology專有功率GaN IP產品組合，根據(jù)協(xié)議，一支來自Tagore致力于開發(fā)GaN技術且經驗豐富的工程師團隊將加入格芯，這有助于格芯推動汽車、IoT、AI數(shù)據(jù)中心等廣泛電源應用領域的效率與性能發(fā)展。

相隔一日，美國一家初創(chuàng)公司Guerrilla RF宣布收購了Gallium Semiconductor的GaN功率放大器和前端模塊產品組合。Guerilla RF表示，這將為無線基礎設施、軍事和衛(wèi)星通信應用開發(fā)新的GaN器件產品線并實現(xiàn)商業(yè)化。

眾多企業(yè)的相繼入局，也證明了對GaN市場的看好。并且隨著越來越多GaN相關產品的推出，也意味著GaN的優(yōu)秀特點正被市場所接受。

總結

當前功率半導體領域競爭激烈，但對企業(yè)而言選擇的因素無非是幾個。首要為效率與性能，其次在保證性能的同時還需要降低綜合成本，最后則是要求有產品設計的靈活性。而GaN經過多年的發(fā)展，目前已經逐漸滿足上述三點，甚至成為不少企業(yè)的最優(yōu)解，因此也能看到越來越多的企業(yè)開始選擇GaN，并且隨著這股趨勢的形成，勢必將改變當下的功率半導體市場格局。