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氮化鎵（GaN）作為第三代半導(dǎo)體材料，和傳統(tǒng)材料Si相比，具備禁帶寬度大、擊穿電壓高、熱導(dǎo)率大、開關(guān)頻率高以及電子飽和速度快等優(yōu)勢，發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>
氮化鎵迎來爆發(fā)式增長，應(yīng)用場景逐漸由消費電子向更多新興市場拓展
為此，自上世紀(jì)90年代起，一些全球領(lǐng)先的科研機構(gòu)就開始著手氮化鎵材料的研究，并致力于實現(xiàn)其產(chǎn)品的商業(yè)化。在2018年左右，氮化鎵被引入消費電子快充領(lǐng)域，“秒充”、“閃充”等技術(shù)相繼涌現(xiàn)，憑借大功率、小體積、充電快、散熱快等明顯優(yōu)勢，氮化鎵產(chǎn)品迅速引爆市場。
目前，據(jù)不完全統(tǒng)計，市場上已有數(shù)十家主流電源廠家推出了數(shù)百款氮化鎵快充產(chǎn)品，其功率已從過去的30W向65W、100W、200W、300W+突破，并已經(jīng)成為小米、OPPO、vivo、榮耀、聯(lián)想等各大知名品牌廠商的核心賣點之一。
羅姆半導(dǎo)體（上海）有限公司技術(shù)中心副總經(jīng)理周勁表示：和SiC一樣，GaN是一種用于功率器件時存在巨大潛力的材料，在禁帶寬度、擊穿場強、電子飽和速度等方面擁有明顯的優(yōu)勢，特別是在高頻率工作、高速開關(guān)的狀態(tài)下，GaN能夠做到比硅甚至碳化硅都有更好的表現(xiàn)，有望為消費電子快充、車載OBC、數(shù)據(jù)中心電源、分布式電源等各種電源的低功耗、小型化以及外圍器件的小型化做出貢獻(xiàn)。
氮化鎵的主要技術(shù)特征及優(yōu)勢
資料來源：羅姆
隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，近年來氮化鎵材料在成熟度不斷提高的同時，成本也在進(jìn)一步下降。在消費電子領(lǐng)域快速普及的帶動下，氮化鎵作為一種創(chuàng)新型的半導(dǎo)體材料在數(shù)據(jù)中心、5G基站、汽車電子、新能源等更為廣闊的市場上滲透率也在不斷提高。
市場規(guī)模方面，根據(jù)Yole的數(shù)據(jù)，2021年氮化鎵功率器件市場收入為1.26億美元，預(yù)計2027年將達(dá)到20億美元，2021-2027 年復(fù)合年增長率為59%。到目前為止，消費領(lǐng)域一直是 GaN市場增長的主要驅(qū)動力，在2021年市場規(guī)模為0.796億美元，占比約為63%。不過，據(jù)Yole預(yù)測，隨著其他應(yīng)用領(lǐng)域滲透率的提高，預(yù)計消費領(lǐng)域的占比到 2027 年將逐漸下降到48%。
而從競爭格局來看，根據(jù)TrendForce的數(shù)據(jù)，全球GaN功率半導(dǎo)體主要玩家有PI 、Navitas、英諾賽科、EPC、GaN Systems等，其中PI 、Navitas、英諾賽科3家公司市占率已達(dá)53%；在出貨量上，目前英諾賽科氮化鎵芯片出貨已突破1.7億顆，其中 2023年Q1出貨量突破了5000萬顆，銷售額達(dá)1.5億，是去年同期的4倍。而納微半導(dǎo)體出貨也已經(jīng)超7500萬顆，其產(chǎn)品已被安克、倍思、百思買、聯(lián)想、小米、綠聯(lián)、vivo等知名品牌的眾多大功率快充產(chǎn)品采用。
在談及當(dāng)前氮化鎵行業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀時，周勁指出：快充是氮化鎵快速產(chǎn)業(yè)化的第一突破口和當(dāng)前主流廠商的主要應(yīng)用場景。在2020年之后，隨著5G和PD適配器的普及，市場對小體積、高性價比的氮化鎵需求進(jìn)一步增加，在巨大的機遇面前老牌的半導(dǎo)體公司也都開始在氮化鎵領(lǐng)域發(fā)力。今后隨著氮化鎵方案越來越成熟以及數(shù)據(jù)中心、基站電源、電動汽車以及工業(yè)系統(tǒng)應(yīng)用的增加，預(yù)計未來5年左右氮化鎵仍然會保持比較高的增速。
雖然氮化鎵的市場前景一片大好，但作為一種新型材料，與Si MOSFET相比，氮化鎵的使用通常會面臨兩個問題：第一個是驅(qū)動電壓（Vth）比較低，通常是1.5V~1.8V左右，有噪音的時候會誤開啟，不一定壞，但是會導(dǎo)致?lián)p耗比較高；第二個就是柵極耐壓比較低，通常氮化鎵器件的標(biāo)定是5V的驅(qū)動電壓，4.5V以下可以導(dǎo)通但不徹底，到了6V以上則面臨柵極損壞的風(fēng)險。因此，在這種情況下，氮化鎵的柵極處理起來很難，必須與專門的驅(qū)動電路或者驅(qū)動器配合使用，但是這樣外置元器件數(shù)量就會增多，而且還需要考慮寄生分量的影響。
使用GaN器件時面臨的問題
資料來源：羅姆
羅姆Power Stage IC成功解決業(yè)內(nèi)難題，可減少器件約99%的體積/降低約55%的功耗
針對上述痛點，羅姆結(jié)合所擅長的功率電子和模擬兩種核心技術(shù)優(yōu)勢，開發(fā)出集功率半導(dǎo)體——GaN HEMT和模擬半導(dǎo)體——柵極驅(qū)動器于一體的Power Stage IC。該產(chǎn)品的問世使得被稱為“下一代功率半導(dǎo)體”的GaN器件不僅輕輕松松即可實現(xiàn)安裝，而且由于其設(shè)計適用于現(xiàn)有的主要控制器，可以用來取代傳統(tǒng)的Si MOSFET功率開關(guān)，以助于更加充分地發(fā)揮氮化鎵器件的性能。
羅姆Power Stage IC成功解決業(yè)內(nèi)難題
資料來源：羅姆
周勁指出：羅姆此次推出的集650V GaN HEMT和柵極驅(qū)動用驅(qū)動器等于一體的Power Stage IC‘BM3G0xxMUV-LB’系列新品，按照導(dǎo)通電阻的不同，又可以分為BM3G015MUV-LB（150毫歐）、BM3G007MUV-LB（70毫歐）兩款產(chǎn)品。新產(chǎn)品支持更寬的驅(qū)動電壓范圍（2.5V～30V），而且傳輸延遲短(Typ.11ns~15ns)、啟動時間快(Typ.15us)，有助于減少服務(wù)器和AC適配器等的損耗和體積。此外，公司還備有三款評估板，一款是BM3G007MUV-EVK-002，用來評估芯片的整體方案性能。另外兩款BM3G007MUV-EVK-003和BM3G015MUV-EVK-003，可移植到客戶現(xiàn)有方案進(jìn)行測試。
BM3G0xxMUV-LB系列產(chǎn)品的主要技術(shù)特征
資料來源：羅姆
具體來看，BM3G0xxMUV-LB系列產(chǎn)品主要有三大亮點：（1）可進(jìn)一步降低功耗。在導(dǎo)通損耗影響不大的情況下，該系列產(chǎn)品相比Si MOSFET損耗可減少55%。相比普通產(chǎn)品，仍然可以做到減少約20%的程度；（2）應(yīng)用產(chǎn)品可進(jìn)一步小型化。元器件數(shù)量上，普通產(chǎn)品是9個相關(guān)元器件，而羅姆的新產(chǎn)品使得驅(qū)動方式進(jìn)一步簡化，外置Power Stage相關(guān)元器件只需1個，因此可讓器件體積減少約99%；（3）支持各種一次側(cè)電源電路。由于該芯片驅(qū)動的范圍寬、啟動及延遲時間短，整個環(huán)路等的設(shè)計會比較容易，可以應(yīng)用在AC適配器為代表的消費電子、服務(wù)器為代表的工業(yè)設(shè)備等各種各樣的AC-DC電路中。
羅姆新品可減少器件約99%的體積/降低約55%的功耗
資料來源：羅姆
除了新發(fā)布的BM3G0xxMUV-LB系列產(chǎn)品外，在氮化鎵領(lǐng)域，其實羅姆已布局多時。
據(jù)周勁介紹，羅姆的氮化鎵產(chǎn)品以EcoGaN?命名。早在2006年，公司就已經(jīng)開始了氮化鎵相關(guān)產(chǎn)品的研發(fā)。經(jīng)過不斷努力，在2021年，公司推出了150V耐壓的GaN HEMT產(chǎn)品，成功地將柵極耐壓 (額定柵極-源極電壓)提高到了業(yè)界領(lǐng)先的8V，成為基站、數(shù)據(jù)中心、物聯(lián)網(wǎng)通信設(shè)備等工業(yè)設(shè)備的電源電路的理想選擇；在2023年4月，公司又量產(chǎn)了第一代650V耐壓的GaN HEMT*1（GNP1070TC-Z、GNP1150TCA-Z）系列產(chǎn)品，與傳統(tǒng)的GaN器件相比，它大幅降低了開關(guān)損耗，進(jìn)一步提高電源系統(tǒng)的效率，并且讓產(chǎn)品的可靠性也得到了更大程度的提高，非常適用于在服務(wù)器和AC適配器等各種電源系統(tǒng)中使用。
展望未來，周勁表示：羅姆的Power Stage IC的下一代機型，準(zhǔn)偕振AC-DC+GaN的器件預(yù)計在2024年Q1量產(chǎn)，而半橋+GaN的器件預(yù)計在2024年Q2量產(chǎn)。今后，羅姆不僅注重提高GaN HEMT單體的性能，還將不斷改進(jìn)驅(qū)動技術(shù)和控制技術(shù)，讓GaN器件在各種應(yīng)用中進(jìn)一步普及。當(dāng)然，除了元器件的開發(fā)外，未來公司還將致力于與業(yè)內(nèi)相關(guān)企業(yè)積極建立戰(zhàn)略合作伙伴關(guān)系并推動聯(lián)合開發(fā)，通過助力應(yīng)用產(chǎn)品的效率提升和小型化，持續(xù)為解決社會問題貢獻(xiàn)力量。
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