電子發(fā)燒友網(wǎng)報道（文/黃晶晶）以碳化硅、氮化鎵為主的第三代半導(dǎo)體材料得以大力發(fā)展，譬如氮化鎵功率器件在充電器和手機等消費類電子上得到越來越多的采用。在經(jīng)過消費電子的歷煉后，氮化鎵器件的應(yīng)用逐漸向工業(yè)、數(shù)據(jù)中心等領(lǐng)域拓展。在日前舉辦的2022集邦咨詢第三代半導(dǎo)體前沿趨勢研討會上，集邦咨詢分析師龔瑞驕以及英諾賽科產(chǎn)品應(yīng)用總監(jiān)鄒艷波分享了氮化鎵市場的最新動向。

龔瑞驕介紹，氮化鎵材料被廣泛應(yīng)用在功率半導(dǎo)體、微波射頻元件、光電子元件。在Power領(lǐng)域，目前主流的器件類型是硅基氮化鎵，Transphorm、Navitas、Innoscience等廠商均是采用這類的結(jié)構(gòu)。另外在RF元件市場，主要以碳化硅基氮化鎵為主流的結(jié)構(gòu)，相關(guān)廠商有住友電工、科沃、NXP、Wolfspeed等。

氮化鎵功率元件目前是成長最快的市場，驅(qū)動力來自于消費電子市場，絕大部分價值體現(xiàn)在快速充電器，其他產(chǎn)品還包括無線充電、消費型激光雷達等。數(shù)據(jù)中心作為另外一個重要的市場，氮化鎵元件有助于提供更為高效緊湊的電力架構(gòu)。

汽車市場方面，在車身OBC、DC/DC、激光雷達中氮化鎵有非常好的應(yīng)用。集邦咨詢預(yù)估氮化鎵功率元件市場規(guī)模將在2022年達到2.6億美元，2026年成長至17.7億美元，復(fù)合增長率達到61%。



他進一步分析，從硅基氮化鎵供應(yīng)鏈的情況來看，絕大部分廠商的產(chǎn)品集中在600到650伏區(qū)間，F(xiàn)abless廠商當中EPC專注于低壓市場，該公司有意成為48伏系統(tǒng)的領(lǐng)導(dǎo)者。GaN Systems覆蓋低壓和中高壓產(chǎn)品。在Foundry市場TSMC是當前最大的功率氮化鎵代工廠，他的客戶有納微半導(dǎo)體、GaN Systems等，其他代工廠包括X-Fab和漢磊等。另外歐洲的BelGaN公司今年收購了安森美比利時6英寸晶圓廠，決心成為歐洲汽車氮化鎵功率半導(dǎo)體代工廠。IDM部分ROHM今年開始計劃量產(chǎn)150伏的氮化鎵功率元件，TI、英諾賽科產(chǎn)品覆蓋低壓和中高壓產(chǎn)品。業(yè)界有些廠商推出了900伏以上的產(chǎn)品，包括Transphorm、GaNPower，以及中國大陸華潤微電子旗下的潤新微、鎵未來。

隨著氮化鎵技術(shù)不斷成熟以及成本不斷降低，龔瑞驕表示，氮化鎵的功率元件應(yīng)用市場由當前的消費電子逐步延伸到數(shù)據(jù)中心、通訊、可再生能源等工業(yè)市場，最后再到汽車領(lǐng)域。

數(shù)據(jù)中心中SOLUM已經(jīng)與氮化鎵功率元件商取得合作，開發(fā)更為高效節(jié)能的服務(wù)器電源。在可再生能源領(lǐng)域，氮化鎵非常適用于戶用的微型逆變器，ENPHASE、AP systems 、hoymiles正在開發(fā)更為高效的光伏逆變器。

而在汽車市場上，氮化鎵受限于當前供應(yīng)鏈生態(tài)以及產(chǎn)能、技術(shù)不成熟，所以目前還處于非常早期的階段。

英諾賽科氮化鎵器件賦能數(shù)據(jù)中心

隨著未來數(shù)字化進程的加速，數(shù)據(jù)中心耗電量也是非常驚人的，預(yù)估2030年數(shù)據(jù)中心的耗電量會達到3000Twhr，相當于全球能耗的10%，因此，我們非常迫切需要提升解決方案，找到更綠色、低碳的發(fā)展模式。

英諾賽科產(chǎn)品應(yīng)用總監(jiān)鄒艷波分析，數(shù)據(jù)中心國內(nèi)主流的供電架構(gòu)是前端通過UPS再通過PSU電源再轉(zhuǎn)到12伏的母線，再上到主板，主板再給芯片供電。數(shù)據(jù)中心建設(shè)好以后，擴容會受限于UPS的布局，架構(gòu)靈活性比較低。UPS的引入增加了兩個電力轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，一個是AC轉(zhuǎn)DC，一個是DC轉(zhuǎn)AC，這兩個環(huán)節(jié)的加入會加大電路能量傳輸過程中的損耗，從而導(dǎo)致效率偏低。


接下來，12伏母線為主板電源供電，連接線路上會帶來額外的損耗，線路阻抗的損耗跟電流成平方關(guān)系，電流提升會帶來損耗急劇上升，同時損耗會帶來發(fā)熱，限制功率提升。

如果采用新的48伏架構(gòu)，母線調(diào)整成48伏，在同樣的轉(zhuǎn)接損耗下可以做到功率提高4倍。備電的電池放到48伏母線這里，這樣就省掉UPS電路轉(zhuǎn)換的環(huán)節(jié)，供電電路效率有所提升。

他進一步分析，具體來看，在AC轉(zhuǎn)DC的PFC環(huán)節(jié)，氮化鎵具有沒有反向恢復(fù)損耗、開關(guān)損耗小，器件數(shù)量少、電路簡潔等特性，進一步提升效率和功率密度。400伏轉(zhuǎn)48伏環(huán)節(jié)，以主流的LLC拓撲結(jié)構(gòu)來看，與諧振死區(qū)相關(guān)的器件參數(shù)，氮化鎵器件比硅MOS小6倍，與開關(guān)速度和驅(qū)動損耗強相關(guān)參數(shù)有10倍的優(yōu)勢。從而帶來電路上的差異，死區(qū)減少，諧振電流幅值下降，變壓器電流下降，使得變壓器的損耗變小，提高功率密度。

接下來48伏母線轉(zhuǎn)12伏，在主板上需要增加一級的電源轉(zhuǎn)換，在空間有限的情況下需要提高效率和功率密度，減少損耗。這里選擇用LLC的拓撲，采用100伏氮化鎵器件，工作頻率更高，同時芯片面積更小，進一步提升模塊的功率密度。

在直接對芯片供電環(huán)節(jié)主要會用到Buck拓撲，隨著芯片算力的提升，對動態(tài)響應(yīng)要求更高，這就需要提供系統(tǒng)工作頻率，同時也需要在控制方面做一些優(yōu)化。30伏氮化鎵器件開關(guān)速度提升三倍，使得工作頻率更高，從而提升動態(tài)響應(yīng)。

另外，數(shù)據(jù)中心高算力所需的大電流在PCB走線上的線路損耗跟電流呈平方關(guān)系，如何減少線路的阻抗非常關(guān)鍵?；诘壠骷?，可以把頻率做高，把磁做得更小更薄，可以做成集成的小模塊，放在芯片的下端進行垂直的供電，可以大大減少供電的路徑，使得效率更高，阻抗更小，動態(tài)響應(yīng)更好。

總之，數(shù)據(jù)中心的供電架構(gòu)，從前端到DC/DC到芯片的供電，可以全鏈路采用氮化鎵的解決方案提升供電鏈路的功率密度和效率。整體效率可以提升5%，這意味著如果2030年數(shù)據(jù)中心的能耗是3萬億千瓦時，有了這5%的提升，帶來電能的節(jié)省相當于1.5個三峽電站的節(jié)能，無論帶來的經(jīng)濟效應(yīng)還是碳中和、碳達峰的社會可持續(xù)發(fā)展，價值都是非常巨大的。

據(jù)介紹，英諾賽科可以為數(shù)據(jù)中心的用戶提供全套的氮化鎵解決方案。例如400伏轉(zhuǎn)48伏、48伏轉(zhuǎn)12伏都有相應(yīng)的產(chǎn)品。為了功率密度進一步提升，英諾賽科可以做到尺寸更小、效率更好的方案。針對后期直接給芯片供電，還有30伏的產(chǎn)品滿足芯片需求。

英諾賽科擁有目前全球最大的8英寸氮化鎵研發(fā)基地、生產(chǎn)基地。2017年珠海研發(fā)生產(chǎn)基地量產(chǎn)，目前產(chǎn)能每月有4000片晶圓。2018年布局的英諾賽科蘇州工廠規(guī)模更大，規(guī)劃產(chǎn)能為每月6.5萬片，去年6月份實現(xiàn)量產(chǎn)。英諾賽科珠海和蘇州的產(chǎn)能超過全球氮化鎵產(chǎn)能的50%以上，因此，能夠給客戶提供自主可控的產(chǎn)品和產(chǎn)能的保障。