【导读】根据韩国媒体 BusinessKorea 报导，三星电子即将进军氮化镓 （GaN）市场，目的是为了满足汽车领域对功率半导体的需求。
三星电子近期在韩国、美国举办的“2023三星晶圆代工论坛”活动宣布，将在2025年起，为消费级、资料中心和汽车应用提供8寸氮化镓晶圆代工服务。
据悉，氮化镓因具备宽禁带、高频率、低损耗、抗辐射强等优势，可以满足各种应用场景对高效率、低能耗、高性价比的要求。当前，氮化镓的应用已经不再局限于快充等消费电子市场，而是向数据中心、可再生能源甚至新能源汽车市场持续推进。到2026年，全球GaN功率元件市场规模将从2022年的1.8亿美金成长到13.3亿美金，复合增长率高达65%。
面对强大的市场需求，众多半导体厂商开始扩充生产线，布局氮化镓市场。
1、氮化镓和碳化硅的竞争领域
在高压功率晶体管市场，氮化镓器件在400伏左右以下的应用中占据主导地位，而碳化硅现在在800伏及以上的应用中具有优势（2000伏左右以上的市场相对较小）。随着GaN器件的改进，400至1,000V之间的重要战场格局将发生变化。例如，随着1,200V GaN晶体管的推出（预计在2025年推出），电动汽车逆变器这个最重要的市场将加入这场战斗。
SiC和GaN将大大减少排放。根据2007年创立的GaN器件公司Transphorm对公开数据的分析，到2041年，仅基于GaN的技术就可以在美国和印度减少超过10亿吨的温室气体排放。数据来自国际能源署、Statista 和其他来源。相同的分析表明可节省1,400太瓦时的能源，即两国当年预计能源消耗的10%至15%。
2、GaN 与 SiC的竞争
考虑到这些相对优势和劣势，让我们逐一考虑各个应用程序，并阐明事情可能如何发展。
电动汽车逆变器和转换器
特斯拉在2017年为其Model 3的车载或牵引逆变器采用SiC，这是该半导体的早期重大胜利。在电动汽车中，牵引逆变器将电池的直流电转换为电机的交流电。逆变器还通过改变交流电的频率来控制电机的速度。据新闻报道，如今，梅赛德斯-奔驰和Lucid Motors也在其逆变器中使用SiC，其他电动汽车制造商也计划在即将推出的车型中使用SiC。SiC器件由Infineon、OnSemi、Rohm、Wolfspeed等供应。EV牵引逆变器的功率范围通常从小型EV的约35kW到100kW到大型车辆的约400kW。
然而，将这场竞赛称为SiC还为时过早。正如我所指出的，要打入这个市场，GaN供应商必须提供1,200-V的器件。电动汽车电气系统现在通常仅在400伏电压下运行，但保时捷Taycan拥有800伏系统，奥迪、现代和起亚的电动汽车也是如此。预计其他汽车制造商将在未来几年效仿。（Lucid Air有一个 900-V系统。）我希望在2025年看到第一个商用1,200-V GaN晶体管。这些设备不仅将用于车辆，还将用于高速公共EV充电器。
GaN可能实现的更高开关速度将成为EV逆变器的一个强大优势，因为这些开关采用了所谓的硬开关技术。在这里，提高性能的方法是非常快速地从打开切换到关闭，以最大限度地减少设备保持高电压 和通过高电流的时间。
除逆变器外，电动汽车通常还配备车载充电器，可通过将交流电转换为直流电，利用壁（市电）电流为车辆充电。在这里，GaN再次非常有吸引力，原因与使其成为逆变器的理想选择的原因相同。
电网应用
至少在未来十年内，用于额定电压为3kV或更高的设备的超高压电源转换仍将是SiC的领域。这些应用包括有助于稳定电网、将交流电转换为直流电并在传输级电压下再次转换回来的系统，以及其他用途。
手机、平板电脑和笔记本电脑充电器
从2019年开始，GaN Systems、Innoscience、Navitas、Power Integrations和Transphorm等公司开始销售基于GaN的壁式充电器。
GaN的高开关速度及其普遍较低的成本使其成为低功率市场（25至500W）的主导者，在这些市场中，这些因素以及小尺寸和稳健的供应链至关重要。这些早期的GaN功率转换器具有高达300kHz的开关频率和超过92%的效率。他们创造了功率密度记录，数字高达每立方英寸30W（1.83W/cmm³）——大约是他们正在更换的硅基充电器密度的两倍。
自动化探针系统施加高压以对晶圆上的功率晶体管进行压力测试。自动化系统可在几分钟内测试大约500个裸片中的每一个。
太阳能微型逆变器
近年来，太阳能发电在电网规模和分布式（家庭）应用中都取得了成功。对于每个安装，都需要一个逆变器将太阳能电池板的直流电转换为交流电，为家庭供电或将电能释放到电网。今天，电网规模的光伏逆变器是硅 IGBT和SiC MOSFET的领域。但GaN将开始进军分布式太阳能市场，尤其是。
传统上，在这些分布式安装中，所有太阳能电池板都有一个逆变器箱。但越来越多的安装人员更喜欢这样的系统，其中每个面板都有一个单独的微型逆变器，并且在为房屋供电或为电网供电之前将交流电组合起来。这样的设置意味着系统可以监控每个面板的操作，以优化整个阵列的性能。
微型逆变器或传统逆变器系统对现代数据中心至关重要。再加上电池，他们创造了一个不间断的电源，以防止停电。此外，所有数据中心都使用功率因数校正电路，调整电源的交流波形以提高效率并消除可能损坏设备的特性。对于这些，GaN提供了一种低损耗且经济的解决方案，正在慢慢取代硅。
5G和6G基站
GaN的卓越速度和高功率密度将使其能够赢得并最终主导微波领域的应用，尤其是5G和6G无线以及商业和军用雷达。这里的主要竞争是硅LDMOS器件阵列，它们更便宜但性能较低。事实上，GaN在4GHz及以上的频率上没有真正的竞争对手。
对于5G和6G无线，关键参数是带宽，因为它决定了硬件可以有效传输多少信息。下一代5G系统将拥有近1GHz的带宽，可实现超快的视频和其他应用。
使用绝缘体上硅技术的微波通信系统提供了一种使用高频硅器件的5G+解决方案，其中每个器件的低输出功率都通过大量阵列来克服。GaN和硅将在这个领域共存一段时间。特定应用程序的赢家将取决于系统架构、成本和性能之间的权衡。
雷达
美国军方正在部署许多基于GaN电子设备的地面雷达系统。其中包括由 Northrup-Grumman 为美国海军陆战队建造的地面/空中任务导向雷达和有源电子扫描阵列雷达。雷神公司的SPY6雷达已交付给美国海军，并于2022年12月进行了首次海上测试。该系统大大扩展了舰载雷达的范围和灵敏度。
宽带隙之战才刚刚开始
如今，SiC在EV逆变器中占据主导地位，而且通常在电压阻断能力和功率处理能力至关重要且频率较低的地方。GaN是高频性能至关重要的首选技术，例如5G和6G基站，以及雷达和高频功率转换应用，例如墙上插头适配器、微型逆变器和电源。
但GaN和SiC之间的拉锯战才刚刚开始。无论竞争如何，一个应用一个应用，一个市场一个市场，我们可以肯定地说，地球环境将成为赢家。随着这一技术更新和复兴的新周期势不可挡地向前发展，未来几年将避免数十亿吨温室气体排放。
3、驱动氮化镓性能再升级
除了庞大的消费电子市场，数据中心、汽车电子、新能源领域在AI、通信、自动驾驶、储能等新技术的推动下，形成了氮化镓相关器件的需求趋势，机构分析指出，英飞凌收购GaN Systems正体现了GaN在汽车、数据中心、工业等应用领域的未来发展前景。据了解，国内头部车企已经率先将英诺赛科氮化镓用于车载激光雷达产品上，并实现量产。
数据中心早已对氮化镓趋之若鹜。一方面，在PUE逐渐成为新数据中心建设、旧数据中心改建的硬性指标后，基于氮化镓的服务器电源在实现更高功率密度的同时，更容易做到钛金级别的能效。另一方面，与汽车48V汽车系统一样，数据中心供电架构也面临转变。对于云服务厂商来说，48V DC/DC转换器带来的体积优势，将进一步为数据中心降本增效。在今年三月份展会现场，英诺赛科对全链路氮化镓数据中心解决方案做了全面介绍，并在现场展示采用InnoGaN 设计的全套方案，包括钛金级2KW PSU，48V-12V 600W/1000W 电源模块等，据介绍，全链路氮化镓方案能够帮助数据中心供电系统减少50%的损耗。
随着氮化镓技术的不断升级和迭代，各厂商的氮化镓产品也逐渐丰富起来，而新市场、新领域的应用需求也对氮化镓的性能、产能及成本提出了更高的要求。以英飞凌、英诺赛科、安世半导体为代表的氮化镓IDM企业或将成为供应主力。但英飞凌、安世半导体等仍停留在6英寸规模。英诺赛科是全球唯一一家8英寸硅基氮化镓IDM厂商，当前产能可达到每月10000片，相比之下，其产品在规模化量产和性价比方面优势更为明显，集设计、研发、生产、销售于一体，也更能实现产品快速迭代，加速实现氮化镓行业生态的构建。
来源：贤集网
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