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集微咨询:GaN快充达到甜蜜点,中低压市场迎来更多杀手级应用

  • 来源:互联网
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  • 2021-12-09
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集微咨询(JW insights)认为:

- PD快充拉开GaN市场爆发的序幕,渗透率远高于行业预期。

- 中低压GaN将在更多消费电子电源、工业(数据中心)、电动汽车等领域大展拳脚。

- GaN功率器件大规模应用仍面临制造、可靠性、成本等方面挑战。

- 国产GaN厂商可以以消费电子应用为突破点,积累技术和市场经验后再向门槛更高的工业、汽车应用进军。

10月20日,纳微半导体在美国纳斯达克上市,成为全球首家氮化镓(GaN)功率芯片上市公司,总市值超过10亿美元。随着手机快充大规模采用,GaN高频高效的优势充分展现,受益于这一轮的东风,TrendForce预计纳微将以29%的出货量市占率拿下今年全球GaN功率市场第一名。

在《集微咨询:千呼万唤始出来的苹果GaN快充,拉开下一个GaN爆点的序幕》中集微咨询(JW insights)分析指出,随着中低压GaN技术不断成熟,竞争力提升,这将大大加速GaN生态的发展和成熟,成为GaN大规模商用的真正爆点。如果按照工作电压来分类,全球功率器件约68%应用在0~900V的区间。如果以2021年442亿美元的功率器件市场来看,全球GaN功率器件的潜在市场规模约300亿美元。如果能弥补制造、可靠性、成本等方面的不足,继快充等高压应用爆发之后,中低压GaN功率器件将有望在消费电子、汽车、工业等领域中焕发更大的活力。

消费电子

GaN功率器件在快充领域的应用拉开了市场爆发的序幕。CASA Research数据显示,2020年国内PD快充GaN功率器件市场规模约1.5亿元人民币,预计到2025年市场规模将超过40亿元,年均复合增长率97%。而2020年全球PD快充GaN功率器件器件市场规模超过3亿元,预计到2025年市场规模将超过82亿元,年均复合增长率90%。

此前Yole预测,至2024年GaN电源市场CAGR可高达85%,集微咨询(JW insights)认为,从当前的情况来看,GaN功率器件器件在PD快充领域的实际渗透速度远远高于预期。

OPPO在今年7月举行的闪充开放日交流活动上,首次将低压GaN应用在了手机内部电路上,用一颗GaN开关管取代两颗串联的硅MOSFET,实现快充充电的路径管理。随着GaN的大规模生产,成本进一步降低,低压GaN应用市场还将进一步拓宽,更多使用传统硅器件的场合,如电脑主板、笔记本主板上面的核心供电、车载充电器、逆变器等,内部的硅器件将被GaN所取代,获得更轻更小的产品体验。

集微咨询(JW insights)认为,接下来在低压、小功率电源领域,包括LED驱动电源、电动工具电源、消费电源、D类音频功放、手机无线充电等应用中,GaN功率器件将有望成为驱动市场的新力量。

Orchard Audio的基于GaN Systems GaN技术的500W立体声氮化镓流媒体Hi-Fi音频放大器(左上)

例如随着GaN晶体管技术的应用,消除了Qrr(反向恢复电荷),Coss(输出电容)也大幅度降低,在确保提供最好THD + N结果的同时,能够以更高的开关频率运行。小巧封装所固有的低RDS(on) (max)使D类GaN放大器可以在小体积内提供高音频保真度,而无需笨重的散热解决方案。如今有越来越多的的音频品牌生产基于GaN的放大器。

电动汽车

在去年的PCIM Europe 2020展会上,GaN Systems介绍了一款All-GaN(全氮化镓)汽车,采用可再生能源的太阳能蓄电池,证明了GaN在汽车功率转换方面的可行性,同时也证明了GaN适合所有需要更高电压、频率、温度和效率的应用。如今,已有多家企业尝试让GaN“上车”,在牵引逆变器、DC/DC、车载充电器、LED照明驱动领域跃跃欲试。

2020年6月,安世半导体推出新一代650V GaN FET,应用于车载充电器、高压DC/DC转换器和发动机牵引逆变器;11月TI推出了首款面向汽车应用的带集成驱动器、内部保护和有源电源管理的650V GaN FET;2021年5月ST宣布推出STi 2 GaN解决方案,适用于车载充电器、用于自动驾驶的LiDAR、双向DC/DC转换器、D类放大器和电源转换系统……

与硅功率器件相比,GaN功率器件的优势在于最大可提高四倍的开关速度、电压和电流交叉损耗更低、功率密度最高可提升40%、降低整车系统重量和成本等。集微咨询(JW insights)认为,未来GaN功率器件在电动汽车牵引逆变器(650V/900V GaN)、48V/12V DC/DC(100V GaN)、车载充电器(650V/900V GaN)、激光雷达(100V GaN)雷达等应用中得到大规模应用。

Yole数据指出,传统汽车和新能源汽车会是GaN功率器件的全新应用场景,到2026年市场规模将从2020年的30万美元增加到1.6亿美元。

工业(数据中心)

随着5G、物联网、人工智能、自动驾驶等新一代信息技术的快速演进,要求数据中心有更强的计算能力、更大的存储能力及更快的传输能力,服务器单机柜的功率也随之不断提升。研究机构数据显示,中国数据中心用电量持续快速增长,2019年~2023年年均总能耗增长率高达10.64%。

研究指出,如果全球采用硅器件的数据中心都升级为GaN器件,将减少30~40%的能源浪费,相当于节省了 100兆瓦时太阳能和1.25亿吨二氧化碳排放量,对“双碳”目标是一个强有力的支柱。

GaN器件用于从交流电(AC)到直流电(DC)的电源转换,然后用于转换负载的直流(DC)电源,可以将整体效率从原来的77%提高到84%。传统的电源机柜,差不多需要10个电源供应30个服务器,而使用GaN器件的电源模块由于能量密度高,6个电源就可以带动34个服务器,能量密度提升就使得硬件尺寸更小,无需建造更多数据中心就可以放置更多服务器,实现数据中心容量增长。行业数据指出,基于GaN、用于服务器和数据存储产品的电源装置(PSU)每年可为大型数据中心运营商减少超过1亿美元的能源成本,并减少近100万公吨的二氧化碳排放量。

我国也已经在“十四五”计划中将建设“面向大数据中心应用的GaN基高效功率电子,应用于数据中心电源的GaN电力电子器件”提上日程。预计,未来这个市场复合年均增长率将达到66.5%。

GaN仍需克服的挑战

GaN在性能、效率、能耗、尺寸等多方面较市场主流的硅功率器件均有数量级的提升,但制造GaN器件所涉及的每一道工序相较硅器件要求都更高,以获得最佳的器件性能和可靠性。实现快速开关、高功率密度和高击穿电压的GaN器件,需要高质量的外延,Si衬底上GaN外延最大的挑战来自于热失配以及晶格失配引入的残余应力,应力会导致外延片发生龟裂、翘曲等一系列问题,因此需要引入AlN或AlGaN层来解决应力调控等问题;另一方面,Si 和GaN 之间的晶格失配也会在外延层中引入大量的缺陷,降低了材料的晶体质量以及器件的性能,因此需要增加Si 衬底GaN外延层的厚度来降低缺陷。

集微咨询(JW insights)认为,在制造方面,GaN仍面临以下关键挑战:

首先是原始创新能力较低。国内开展GaN等第三代半导体器件和材料的研究比较晚,与国外差距较大,且GaN是涉及重要国防军工产品的关键技术,国外对我国实施相关技术封锁,因此当前我国在该领域核心材料、器件等方面的原始创新能力仍然薄弱。

其次是国内GaN器件的外延技术仍待提升。目前大多数GaN功率器件均采用硅衬底,而硅基GaN外延片制备技术仍然存在应力调控、晶格失配等问题,在原材料配方设计、制造工艺技术、配套设备工艺设计、自主研发能力、资本实力、产业链资源等各方面的能力储备缺一不可。

其中,GaN的外延生长方面面临的挑战更为突出,缺陷密度、晶圆内均匀性和技术产业化都是业内探索的重点。尤其是随着GaN器件制造逐渐从6英寸向8英寸晶圆过渡,鉴于GaN和硅在膨胀过程中不同的晶格常数和热系数,在硅上生长外延GaN以形成稳定可靠的HEMT,这从超晶格结构和应力控制方面来说是一个非常具有挑战性的工艺。

成本也是GaN迟迟不能进入主流应用的阻碍之一。多年来随着技术和产业的不断发展,人们逐步认识到GaN的性能优势,包括更高的功率密度和功率效率,但许多电源系统制造商(尤其是对价格敏感的消费类电源制造商)还是选择等待GaN功率器件价格逐步接近硅器件时才开始应用。对此,GaN也如同传统半导体材料、器件的发展规律一样,大规模量产可帮助有效降低成本。比如,一个月产能4K片的晶圆厂和一个月产能40K片的晶圆厂,其晶圆的成本可能会相差好几倍。

在这方面,今年6月国产厂商英诺赛科(Innoscience)全球首个8英寸硅基GaN晶圆厂投产,助推其出货量市占率从2019年的6%一举攀升至今年的20%,跃升为全球第三,可见IDM模式优势将在GaN产业高速发展中逐步显现。

集微咨询(JW insights)认为,当前较为普遍的6英寸晶圆用来做低压GaN没有任何优势,其性价比与硅器件相比无法体现,这是低压GaN面临的一个困境。然而今年来GaN的制造开始逐步转向8英寸晶圆,可以提高性能的同时将生产成本降下来,这是降低低压GaN器件成本的一个关键点。随着出货数量快速增长,GaN功率器件价格已经逼近硅MOSFET的价格,将促使市场越来越广泛地采用。

另一方面,GaN器件的平均价格在不断降低。根据分销商Mouser数据,2020年80%的在售GaN HEMT产品为耐压650V,100V、900V仅有少数几款。技术和价格均不稳定。650V产品到2020年底平均价格约为2.73元/A,与2019年同期相比下降了23.5%。尽管市场需求火爆和疫情影响供应链导致原材料价格上涨,GaN芯片在供不应求的状况下依然呈现出整体价格下滑的趋势。CASA Research数据指出,2020年底,面向PD快充的650V GaN HEMT实际成交价格区间已经来到0.5元/A以内,与硅器件的价差已经缩小到1.5倍以内,已经达到了甜蜜点。考虑上系统成本(包括周边的散热、基板等成本)和能耗等因素,GaN模组已经具备一定竞争力。

结语

更低的能耗是行业不变的追求。随着需求端对供电系统电源功率密度需求的不断增加,供应端功率器件设计和制备工艺水平的不断提升,在产业链各方的努力攻关下,继快充等高压应用爆发后,GaN功率器件将在消费电子、汽车、工业等领域中焕发更大的活力。

随着我国“双碳”目标确立提速,对第三代半导体需求猛增,产业的关注度日益增高,国产化需求下,促使GaN在更多领域的应用的渗透率将进一步加深。集微咨询(JW insights)认为,本土GaN厂商可以以门槛较低的消费电子为突破点,提升在材料、器件、制造工艺等方面的技术水平并在下游应用中进行充分验证,积累更多量产、商业化经验再向数据中心、电动汽车等要求更高的行业进军。(校对/萨米)

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  • 编辑:郭晓刚
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