氮化鎵技術(shù)在電力電子領(lǐng)域的發(fā)展與市場動(dòng)態(tài)

逍遙設(shè)計(jì)自動(dòng)化

引言
' x- b" R/ l6 @% \; C- f) U氮化鎵（GaN）技術(shù)的出現(xiàn)顯著改變了電力電子領(lǐng)域的格局。本文探討GaN技術(shù)從誕生到當(dāng)前市場狀況的發(fā)展歷程，重點(diǎn)介紹其技術(shù)優(yōu)勢及在不同電壓領(lǐng)域的市場滲透情況[1]。

( n6 @. o2 t! E; }GaN技術(shù)在電力電子領(lǐng)域的革新
2 Y4 ]2 g7 k# [. a2 c+ m$ r) L隨著行業(yè)對(duì)功率密度和效率要求的不斷提高，硅基電力電子器件的局限性日益明顯。傳統(tǒng)的硅基設(shè)計(jì)使工程師在系統(tǒng)性能、效率和體積之間難以取得平衡。當(dāng)提高開關(guān)頻率以實(shí)現(xiàn)更高的功率密度和更小的器件尺寸時(shí)，硅基系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生更多的功率損耗和熱量散失，導(dǎo)致系統(tǒng)效率降低。相反，要實(shí)現(xiàn)高效率，硅基器件需要降低開關(guān)頻率，這又會(huì)導(dǎo)致元件體積增大和功率密度降低。
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GaN作為硅的替代方案具有顯著優(yōu)勢，其能隙達(dá)到3.4電子伏特(eV)，高于碳化硅(SiC)的3.2 eV和硅的1.12 eV。較高的能隙加上優(yōu)異的電子遷移率和較低的導(dǎo)通電阻，使GaN器件能夠在高頻和高溫環(huán)境下實(shí)現(xiàn)更高的功率轉(zhuǎn)換效率。此外，GaN優(yōu)良的熱性能使得系統(tǒng)體積可以比硅基方案顯著縮小。
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圖1展示了過去二十年GaN競爭格局的發(fā)展，顯示了2008年至2023年間不同類型公司進(jìn)入市場的增長情況。

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圖2描繪了2008年至2023年全球GaN功率半導(dǎo)體市場中新進(jìn)入者的公司類型占比，展示了established corporations（成熟企業(yè)）和初創(chuàng)公司的分布情況。

市場發(fā)展與商業(yè)成功
4 N1 u- g) K8 }( B, `) \GaN技術(shù)的商業(yè)化歷程始于2008年，當(dāng)時(shí)International Rectifiers (IR)宣布成功開發(fā)出GaN功率晶體管原型。隨后在2010年初推出首款GaN產(chǎn)品iP2010。同年，Efficient Power Conversion (EPC)公司推出了面向低壓應(yīng)用（40-200 V）的增強(qiáng)型GaN-on-Si功率晶體管，相比當(dāng)時(shí)的硅基MOSFET展現(xiàn)出更優(yōu)越的開關(guān)性能。

EPC宣布其晶體管可以在傳統(tǒng)CMOS代工廠進(jìn)行生產(chǎn)，且僅需對(duì)制造工藝進(jìn)行少量修改，這一優(yōu)勢促使更多競爭者進(jìn)入GaN功率半導(dǎo)體領(lǐng)域。
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圖3顯示了2023年全球GaN功率半導(dǎo)體市場中不同電壓產(chǎn)品組合的百分比分布。
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電壓領(lǐng)域與市場擴(kuò)張
GaN市場最初主要針對(duì)需要650V產(chǎn)品的高頻應(yīng)用，這些應(yīng)用中GaN的技術(shù)成熟度足以與硅形成有效競爭。近期發(fā)展顯示，一些公司基于GaN-on-Si橫向結(jié)構(gòu)，開始擴(kuò)展到更高電壓領(lǐng)域，包括750V、900V、1200V和1250V等級(jí)。
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圖4展示了2021年至2023年間全球前五大公司在不同電壓領(lǐng)域的產(chǎn)品發(fā)布情況。
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未來發(fā)展與市場增長
, P1 K3 f) n7 u& b8 L! ]自2019年以來，GaN技術(shù)市場進(jìn)入快速增長階段，這得益于其在功率效率、熱性能和體積減小方面的優(yōu)勢得到充分驗(yàn)證。低于650V的產(chǎn)品市場繼續(xù)保持增長勢頭，特別是在音頻放大器、無線充電器、電子戰(zhàn)和醫(yī)療設(shè)備等應(yīng)用領(lǐng)域。

高于650V產(chǎn)品的開發(fā)代表著GaN技術(shù)的新發(fā)展方向，盡管這一領(lǐng)域面臨著來自碳化硅(SiC)器件的競爭。要在這一更高功率領(lǐng)域取得成功，市場參與者需要持續(xù)投入研發(fā)力量，以確立GaN在工業(yè)應(yīng)用中的價(jià)值。

過去十年間，超過20家企業(yè)（包括初創(chuàng)公司和成熟企業(yè)）進(jìn)入GaN功率半導(dǎo)體領(lǐng)域。這種多元化參與推動(dòng)了技術(shù)進(jìn)步和客戶合作，促進(jìn)了設(shè)計(jì)應(yīng)用和市場采用的增加。
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參考文獻(xiàn)
[1] M. Di Paolo Emilio (ed.), "GaN Market," in GaN Technology: Materials, Manufacturing, Devices and Design for Power Conversion. Cham: Springer Nature Switzerland AG, 2024, ch. 9, pp. 361-364.

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