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乐虎体育 解析氮化鎵(GaN)快充電源市場的機會與挑戰

2021/08/25

本文轉自: GaN世界

GaN作為第三代半導體材料,廣泛應用于功率電子器件中,根據Yole數據,2018年GaN功率器件國際市場規模中,電源設備領域占比55%,其次是激光雷達,占比達到26%,其他下游應用如包絡跟蹤、無線電源等。


目前乐虎官网使用的電子及電源設備,如個人電腦適配器、音頻/視頻接收器和數字電視等,有著占用空間大、不美觀、發熱導致電量損耗等缺點,而GaN能夠減少電源體積,同時提升效率。


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GaN,SiC 和Si半導體材料下游應用分布

一般來說,更高的充電功率意味著更大的體積和重量,氮化鎵(GaN)材料很好的避免了這個問題,自然也就成了許多輕薄本和支持快充手機的首選。除了眾多國內廠商,GaN最近也獲得了蘋果的青睞。


根據DigiTimes的消息,Navitas半導體預計將在2021年獲得蘋果GaN充電器的訂單。作為長期合作伙伴,臺積電則將會供應相關芯片。
從理論上講,GaN比傳統的硅MOSFET具有更大的技術優勢,隨著價格的不斷降低,GaN器件正在成為功率市場的有力競爭者。
根據市場調研機構YoleDeveloppment的預測,盡管與328億美元的硅功率器件市場相比,現有的GaN市場還很小,但GaN器件已經開始滲透到很多應用領域。
若論最吸引眾人眼球或者市場最火爆的應用,非GaN充電器莫屬。 GaN充電器能夠在較小的體積內實現更大的充電功率,非常適合iPad、MacBook等產品使用。


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圖:市場調研機構YoleDeveloppment預計,將GaN技術在快充和無線充電領域的應用很可能快速引爆GaN功率器件市場
圖片來源:YoleDeveloppment


那么氮化鎵是什么,氮化鎵充電器跟其它充電器又有什么區別呢?


GaN屬于第三代半導體材料(又稱為寬禁帶半導體材料)。GaN的禁帶寬度、電子飽和遷移速度、擊穿場強和工作溫度遠遠大于Si和GaAs,具有作為電力電子器件和射頻器件的先天優勢。
目前第三代半導體材料以SiC和GaN為主。相較于SiC,GaN材料的優勢主要是成本低,易于大規模產業化。盡管耐壓能力低于SiC器件,但優勢在于開關速度快。同時, GaN如果配合SiC襯底,器件可同時適用高功率和高頻率。

半導體材料的發展主要體現在三個方面:

1)襯底及外延材料向大直徑發展;

2)材料質量和器件性能的提升;

3)成本和價格的下降推動產業發展。

在襯底方面,日本多家公司已在出售2~3英寸GaN襯底;

在外延片方面,4~6英寸Si襯底GaN外延片的材料已經實現量產。


GaN在未來幾年將在許多應用中取代硅,其中,快充是第一個可以大規模生產的應用。在600伏特左右的電壓下,GaN在芯片面積、電路效率和開關頻率方面的表現明顯好于硅,因此 在壁式充電器中可以用GaN來替代硅


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優越的材料特性讓氮化鎵功率器件具有巨大的優勢


5G智能手機的屏幕越來越大,與之對應的是手機續航的需求越來越高,這意味著電池容量的增加。GaN快充技術可以很好地解決大電池帶來的充電時長問題。
硅正在逐漸達到其物理極限,特別是在功率密度方面。這反過來限制了配備硅功率組件的設備的緊湊程度。
在非常高的電壓、溫度和開關頻率下,GaN與硅相比具有優越的性能,可顯著提高能源效率。功率GaN于2018年中后期在售后市場中出現,主要是Anker、Aukey和AVpower的24至65瓦充電器。


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27wGaN充電器VSApple30W充電器


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智能手機充電器發展趨勢
在1990年代對分立GaN及2000年代對集成GaN進行了多年學術研究之后,Navitas的GaNFast源集成電路現已成為業界公認的,具有商業吸引力的下一代解決方案。
它可以用來設計更小、更輕、更快的充電器和電源適配器。單橋和半橋的GaNFast電源IC是由驅動器和邏輯單片集成的650V硅基GaNFET,采用四方扁平無引線(QFN)封裝。
GaNFast技術允許高達10MHz的開關頻率,從而允許使用更小、更輕的無源元件。此外,寄生電感限制了Si和較早的分立GaN電路的開關速度,而集成可以最大限度地減少延遲和消除寄生電感。
2019年9月,OPPO宣布在其65W內置快速充電器中采GaNHEMT器件,GaN在2019年首次進入主流消費應用。
2020年2月份,小米公司推出了65WGaN充電器,其橫截面積僅比一元硬幣稍大,重量約為82克,其物理尺寸比現有充電器小很多,非常便于攜帶。但其充電速度超快,對一塊4500mAh的超大電池從0充電至滿格僅需45分鐘。
其實,GaN充電器市場的火爆是有原因的。想必很多消費者都有這樣痛苦的經歷,每逢出差,必須攜帶手機、平板電腦和筆記本電腦使用的多個充電器和適配器,有限的行李空間被這些“必備的物品”占去大半。
怎么解決這個難題呢? 統一充電器和適配器的標準應該是最徹底的解決方案,目前看來可操作性不高。
現實唯一可行的辦法就是提高功率密度,盡量縮小這些充電器和適配器的體積。 尺寸小、充電快是GaN充電器的最大優勢,一經面世,市場很快就接受了這個產品。據統計,在2020年初的CES2020上,GaN充電器就隨處可見。


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圖:GaN器件的商業化應用
圖片來源:小米


GaN充電器的設計實例


每個新技術快速商用的背后,總會有不少技術“推手”,GaN充電器也不例外。隨著這一市場熱度的持續升溫,各個GaN廠商也在加緊推出新的方案以應對市場所需。


下面乐虎就介紹幾個典型設計實例,供大家參考。

  • 基于英飛凌CoolGaN™的GaN充電器方案


英飛凌是業界唯一一家掌握Si、SiC和GaN等所有功率半導體技術的公司,其CoolGaN™600V增強型HEMT(高電子遷移率晶體管)經過專門優化,可實現快速開通和關斷,在開關模式電源(SMPS)中能實現高能效和高功率密度,其優值系數(FOM)在當前市場上的所有600V器件中首屈一指。
CoolGaN™的輸出電荷和柵極電荷均比硅低10倍,反向恢復電荷幾乎為零,這是高頻工作的關鍵。
該器件具有極少輸出電容,可在反向導通狀態下提供優異的動態性能,大幅提高工作頻率,從而通過縮小被動元器件的總體尺寸,提高功率密度。
在GaN充電器中,為了在功率密度上實現突破,目前,此類系統中使用的典型功率拓撲為反激式功率變換拓撲。
英飛凌CoolGaN™產品采用的就是這種拓撲結構,在功率密度方面有著很大突破,最高可達20W/in3(最大輸出功率為65W)。
英飛凌在其GaN充電器白皮書中推薦的非對稱反激式功率變換拓撲見圖4,該拓撲利用磁化電流和同步整流開關的ZCS(零電流開關)構成初級側半橋的ZVS(零電壓開關),為實現最高轉換效率奠定了基礎。


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圖:同步整流不對稱PWM反激原理圖

圖片來源:Infineon


基于上述拓撲,英飛凌開發了采用500v/140mΩMOSFET的65W樣機,支持USB-PD,輸出電壓從5V/3A到20V/3.25A不等,工作頻率從100kHz到220kHz。原型機的最大效率為94.8%,而在Vin=90V時的最低滿載效率為93%。


  • NavitasGaNFast™功率芯片


 通過一些極客的拆解乐虎知道,納微半導體(Navitas)推出的GaNFast氮化鎵功率芯片NV6115和NV6117,也是上文中提到的小米65WGaN充電器中的關鍵器件,它們使得該充電器在功率密度上實現了突破。
與安森美半導體的NCP51530(700V高低邊驅動器)和德州儀器的UCC28780(反激式控制器)相互搭配構成的高頻開關,大幅縮減了充電器中的變壓器體積。
Navitas的NV6115和NV6117為650VGaNFast電源IC,針對高頻軟開關拓撲進行了優化。擴展了傳統拓撲結構如反激式、半橋式、諧振式等功能,可簡化高頻率、高能量密度開關模式電源的設計。


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圖:NV6115典型應用原理圖

圖片來源:Navitas


 據統計,現在市場上約有50余種使用了GaNFast的移動快充產品和平臺,其中包括頂級OEM正在批量生產的壁式充電器,其功率范圍從24W至300W。三星、Oppo、小米和Verizon等都是Navitas的客戶。
采用GaNFast的充電器具有USB-C功能,不僅可以提供足夠的電量為筆記本電腦快速充電,并能為智能手機、平板電腦、耳機和VR耳機等所有其他移動設備快速并安全地充電。
GaN供給:知名廠商集中海外
氮化鎵產業鏈基本包括襯底、外延片、器件制造等環節,其中硅基襯底主要供應商有德國Siltronic、日本Sumco、日本Shin-Etsu等企業,而日本的NTT-AT、比利時的EpiGaN和英國的IQE等則是硅基GaN外延片的主要供應商。
部分廠商則在產業鏈上延伸,同時生產外延片及器件制造,例如Episil、Bridg、Fujitsu等。目前主流氮化鎵生產廠家依舊集中在歐洲國家及日本等。
下面僅簡單介紹以生產外延片為主的幾家主流供應商。


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氮化鎵市場主要生產商示意圖


NTT-AT。 NTT尖端科技株式會社成立于1976年,總部位于日本。公司目前生產可用于大功率集成電路及高頻率通信領域的高品質氮化鎵外延片。


公司氮化鎵外延片因高擊穿電壓、低漏電流和出色的2DEG特性而聞名,從而被優質的半導體廠商所采用。公司2018財年(2018年4月-2019年3月)實現收入561.95億日元,實現凈利潤24.24億日元。


EpiGaN。 公司成立于2010年,總部位于比利時東部哈瑟爾特市,是全球最大的微電子產學研中心之一IMEC的衍生公司。
公司可提供4、6英寸氮化鎵外延晶圓,廣泛用于5G通訊、高效電力電子、射頻功率、傳感器等領域。目前公司已經率先實現了8英寸硅基氮化鎵磊晶圓工業量產,生產工藝處于行業先進水平。
DOWA。 公司成立于1884年,目前面向尖端電子設備的需求進行開發,提供差異化半導體材料、導電材料及磁性材料。
目前公司從事氮化鎵外延片生產,通過使用專利緩沖層在氮化鎵外延片上實現了高電壓電阻和良好的平整度。下游主要應用于功率半導體中的逆變器和交直流變換器以及移動基站。
IQE。 公司成立于1988年,總部位于英國卡迪夫,是全球領先的設計和制造先進的半導體外延產品的公司之一。
下游市場主要為電子、汽車、航天等領域。公司2018年共實現營收1.56億英鎊。
氮化鎵技術背后的三大主要供貨廠家
提起氮化鎵技術,就不得不提其背后的功率芯片技術及三大主要供貨廠家。這三家廠家分別是Power Integration , Inc.、納微半導體(Navitas)、英諾賽科(Innoscience)。
1、Power Integrations, Inc.  ,總部位于美國硅谷, 是一家擁有三十多年的歷史,專注于高壓電源管理及控制的高性能電子元器件及電源方案的供應商,其產品品質及品牌在全球擁有很高的認可度。PI推出的集成電路和二極管為包括移動設備、電視機、PC、家電、智能電表和LED燈在內的大量電子產品設計出小巧緊湊的高能效AC-DC電源。
2019年9月,OPPO發布的65W 基于SuperVOOC 2.0技術的氮化鎵快充,是品牌手機廠商首次將氮化鎵快充作為手機標配,其利用的也正是PI的PowiGaN系列的氮化鎵芯片。彼時PI在氮化鎵PowiGaN功率芯片的累計發貨量就已超過一百萬顆,是目前累計發貨量最大的廠家。
2、納微半導體(Navitas) 擁有強大的功率半導體行業專家團隊,專有的 AllGaN工藝設計套件將最高性能的GaNFET與邏輯和模擬電路單片集成,可為移動、消費、企業和新能源市場提供更小、更高能效和更低成本的電源
2020年,小米發布的氮化鎵快充產品就是采用了納微半導體的功率芯片產品。
3、英諾賽科(Innoscience) 作為唯一上榜的國產硅基氮化鎵廠商,在當前中美貿易戰的大背景下獲得了許多廠商的關注,業界對其發展潛力十分看好。
公司在珠海和蘇州建有兩個8英寸硅基氮化鎵芯片研發生產基地,產品線覆蓋30V-650V的全系列氮化鎵芯片,自有失效分析和可靠性實驗室為產品品質保駕護航,目前在快充領域已有超過10家企業利用其高壓氮化鎵芯片成功開發出快充產品并實現量產。
英諾賽科雖然起步較晚,但是在商業模式(IDM),工藝先進性,產品覆蓋面,產能布局等核心方面都具有極大的優勢,未來發展十分值得期待。
市場預測
據Yole預測,受消費者快速充電器應用推動,到2024年GaN電源市場規模將超過3.5億美元,CAGR為85%,有極大增長空間。
此外,GaN還有望進入汽車及工業和電信電源應用中。從生產端看,GaN功率半導體已開始批量出貨,但其價格仍然昂貴。
制造成本是阻礙市場增長的主要障礙,因為到今天GaN仍主要使用6英寸及以下晶圓生產。 一旦成本可降低到一定門檻,市場就會爆發。
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長期GaN功率市場演變
基于手機快充的激烈競爭,OPPO、vivo、小米等中國手機廠商將帶動GaN功率市場快速增長。
GaN功率器件領域一直由EPC,GaNSystems,Transphorm和Navitas等純GaN初創公司主導,他們的產品主要是TSMC,Episil或X-FAB代工生產。國內新興代工廠中,三安集成和海威華芯具有量產GaN功率器件的能力。
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2018-2024年,受大功率快充應用推動的功率GaN器件市場預測



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