虽然业内关注氮化镓(GaN)已经好些年,但是其商业化程度还待进一步提升,不论是与传统的硅(Si)还是与碳化硅(SiC)相比,GaN在市场和产业链规模方面都在处于追赶者的位置。
最近GaN的一系列新动态,预示着该材料在各类应用中的商用正在加速。在如今的各类展会和高峰论坛上,众多搭载GaN器件的新设备亮相,其中包括新兴的机器人和需求旺盛的数据中心。
EPC在PCIM Aisa 2024 展出人形机器人和机器狗
GaN技术能为以上应用带来哪些优势?参与竞争的厂商如何发力GaN赛道?《国际电子商情》采访了宜普电源转换公司(EPC)的首席执行官兼联合创始人Alex Lidow博士,他针对上述问题分享了自己独到的观点。
他指出,GaN的应用潜力非常大,EPC针对GaN的策略是:“先‘拿’下部分细分市场,然后从点到面逐个击破其他市场”。Lidow博士拥有36项功率半导体技术专利,是HEXFET®功率MOSFET的共同发明者。
人形机器人、AI服务器、汽车均是重点
目前,EPC专注于使用GaN技术的低压电源转换产品(主要是15V-350V),主要针对需要高频率、低噪声和高效率的应用。其产品主要包括eGaN FET系列和GaN IC系列,针对不同的应用需求提供了多样化的选择,从而在电源转换、电动汽车充电器、无线充电、工业自动化和消费电子等多个领域中得到应用。
目前,EPC聚焦人形机器人、数据中心、汽车等应用。在近期的PCIM Aisa展上,EPC重磅展示了其人形机器人解决方案。据现场的EPC工程师介绍,展示的机器人的所有关节都使用了EPC GaN器件,机器人的眼睛采用了激光雷达方案,激光雷达也内置了GaN器件。
EPC GaN器件在人形机器人上的应用
该工程师透露说:“关节运动需要精细的控制,机器人的关节体积很小,因此在关节处应用氮化镓器件,可极致发挥其体积小、性能好的优势。另外,GaN器件也能够为机器人提供高效的电流管理,这对于保证机器人的稳定运行和延长使用寿命至关重要。”据介绍,在接下来的几年,EPC会持续关注激光雷达和机器人关节的应用。
除了机器人之外,EPC也看好GaN在AI服务器的应用。所有的AI服务器都需要进行高效的电流转换,而GaN器件因其高效率、低损耗和快速开关特性,成为了理想的电源转换解决方案组件。为此,EPC已经为多个客户的AI服务器提供了增强设计的电源转换解决方案,这些方案能够满足高功率密度的需求,提高效率并降低系统成本。
GaN在汽车应用中具有多种用途,比如,可用于车载充电器(OBC)、DC-DC转换器、电机驱动器、前照灯和尾灯的LED照明系统、电动汽车的无线充电系统、汽车电源管理系统、自动驾驶汽车的激光雷达系统、车载娱乐系统等场景。
Lidow博士补充说,公司正密切关注汽车行业的多样化机遇。GaN器件凭借其卓越的高效率、高频操作特性、低热损耗以及紧凑的封装设计,不仅能够显著提升汽车的性能和燃油效率,还能有效降低整车的重量和体积。
总的来说,EPC将继续深化GaN技术在关键领域的应用,巩固其在全球功率半导体市场的领导地位,并助力实现更高效、更环保的电子设备。
GaN在加速商业化进程
实际上,GaN的商业化并不算太快。它除了在手机快充(PD)领域实现了数亿级的出货之外,在汽车、数据中心等领域的还需进一步实现落地,业界也一直在努力推动GaN的全面商业化。
TrendForce报告显示,2023年全球GaN功率元器件市场规模约为2.71亿美元,预计到2030年将上升至43.76亿美元,复合年增长率(CAGR)高达49%。在市场规模快速增长的背景下,GaN在应用领域扩展、技术发展和市场竞争方面,也呈现出了一些积极趋势,这似乎预示着GaN的商用速度在加快。
在应用领域扩展方面,GaN在数据中心、机器人、新能源汽车、光伏、5G通信等领域有了新进展,近年来在各种展会、高峰论坛等活动上,我们看到了很多展商展出了新的GaN应用;
在市场竞争方面,全球GaN行业在过去一年里并购动态频现,比如英飞凌完成对GaN Systems的收购,瑞萨电子宣布收购Transphorm,Guerrilla RF收购了Gallium Semiconductor的GaN功率放大器和前端模块产品组合,格罗方德宣布收购Tagore Technology的功率GaN技术及知识产权组合,Power Integrations宣布达成协议收购Odyssey Semiconductor的资产……这预示着该技术正逐渐走向成熟,GaN产业链企业正通过并购来完善自己的产业化能力;
在技术发展方面,近日英飞凌宣布成功研发出全球首款12英寸(300毫米)功率GaN晶圆技术,这标志着氮化镓技术在半导体行业的重要进步,意味着更高效、更大规模生产氮化镓器件成为可能。与传统的8英寸晶圆相比,12英寸晶圆每片能多生产2.3倍数量的芯片,该技术突破预计可提高设备性能,实现更高的效率、更小的尺寸、更轻的重量和更低的总体成本。
现阶段,GaN产业正处于爆发的前夕,大家针对该技术的布局和规划,都可能是夺得发展先机的关键因素。Lidow博士坦诚地表示,EPC自2007年成立以来,专注于GaN功率器件的研发和商业化,致力于推动电力电子行业的发展,EPC走在技术研发前端,针对人形机器人和AI服务器开发产品。“从最擅长的小领域着手,先攻克部分细分市场,再慢慢扩大业务范围”,是最有利于公司发展的策略。
EPC助力GaN商业化
随着业内出现多个积极趋势,业界针对GaN技术的展望也变得更加明朗。而在推动GaN商业化的过程中,产业链企业需坚持正确的发展方向,积极应对各种挑战。这些关键发展方向和挑战包括:技术创新与成本下降,市场教育与推广,产业链合作,政策支持与标准制定,改善生产过程中的质量控制、器件一致性和长期稳定性等问题。
某个技术能否批量商用?“成本”是一个相当重要的因素。在很多情况下,即使大家都知道某个技术可实现更好的性能,但如果其使用成本超过了大家的心理预期,该技术也很难在市场上大范围商用。而GaN器件也一直有面临成本问题。
EPC的全系列产品
针对这一话题,Lidow博士介绍说,EPC的GaN器件具备成本效益优势。EPC的GaN器件是在硅生产线上生产的,例如EPC 2045 100V GaN-on-Silicon晶体管通过在硅晶圆上生长氮化铝(AlN)和GaN层来制造,这些层为构建GaN晶体管提供了基础。这个制造过程利用了现有的生产基础设施,生产步骤相对较少。
除了成本效益优势之外,EPC也在推动市场教育与推广、产业链合作。Lidow博士与其他人共同著作的《氮化镓晶体管—高效功率转换器件》(第三版),是半导体行业首本关于氮化镓晶体管高效功率转换应用的教科书。目前,该教科书正在被美国的高校使用,旨在为业界培养下一代工程师。
而针对已经参加工作的工程师,EPC也会提供关于GaN的培训资源,比如该公司会不定期举办技术研讨会,研讨会上不仅有专家进行技术分享,会议上还设有问答环节,为工程师在使用GaN器件过程中面临的问题答疑解惑。
同时,EPC也在关注氮化镓在AI服务器领域(数据中心领域)的应用。随着AI技术的发展,数据中心对电源转换的需求增加,这为氮化镓技术提供了新的增长机会。该公司预计:2024年来自服务器市场的收入将比2023年提升3倍,2025年来自服务器市场的收入也会比2024年高3倍。
在产业链合作方面,由于EPC是Fabless企业,其GaN器件需要代工厂来进行生产。Lidow博士指出,汉磊(Episil)、世界先进(VIS)都是EPC的合作伙伴。与这些代工厂的合作有助于EPC扩大其GaN器件的生产能力和市场覆盖。据了解,世界先进与EPC签订了一项GaN功率半导体多年生产协议,EPC公司将从2023年初开始使用世界先进的8英寸晶圆制造平台,生产高性能GaN晶体管和GaN功率IC。
而在产品的分销环节,EPC除了与全球分销巨头艾睿电子(Arrow)合作之外,还与德捷电子(DigiKey)、世强硬创平台(Seskorm)、孚佑实业有限公司(Elecbiz)等分销商保持着持续合作的关系,这些电子元器件分销商帮助EPC将产品推广至更广泛的市场和应用领域。
当然,来自政府的政策支持和行业标准的制定,对于GaN技术的健康发展也至关重要。在笔者看来,GaN行业需要政府制定相关的安全规范、测试标准和认证流程。而这些具体措施包括:给予GaN企业研发资助、税收优惠,支持企业市场推广、制定严格的产品安全规范、制定长期的可靠性测试标准等。