氮化鎵功率器件：從消費(fèi)電子向數(shù)據(jù)中心邁進(jìn)

電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)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(jī)等消費(fèi)類電子上得到越來越多的采用。在經(jīng)過消費(fèi)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(shì)研討會(huì)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(chǎng)的最新動(dòng)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(chǎng)，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(zhǎng)最快的市場(chǎng)，驅(qū)動(dòng)力來自于消費(fèi)電子市場(chǎng)，絕大部分價(jià)值體現(xiàn)在快速充電器，其他產(chǎn)品還包括無線充電、消費(fèi)型激光雷達(dá)等。數(shù)據(jù)中心作為另外一個(gè)重要的市場(chǎng)，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(chǎng)方面，在車身OBC、DC/DC、激光雷達(dá)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(chǎng)規(guī)模將在2022年達(dá)到2.6億美元，2026年成長(zhǎng)至17.7億美元，復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)到61%。



他進(jìn)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(dāng)中EPC專注于低壓市場(chǎng)，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(chǎng)TSMC是當(dāng)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(gòu)了安森美比利時(shí)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(jì)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(guó)大陸華潤(rùn)微電子旗下的潤(rùn)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(chǎng)由當(dāng)前的消費(fèi)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(chǎng)，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(chǎng)上，氮化鎵受限于當(dāng)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(jìn)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(huì)達(dá)到3000Twhr，相當(dāng)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(guó)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(kuò)容會(huì)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(gè)電力轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，一個(gè)是AC轉(zhuǎn)DC，一個(gè)是DC轉(zhuǎn)AC，這兩個(gè)環(huán)節(jié)的加入會(huì)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(huì)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(huì)帶來損耗急劇上升，同時(shí)損耗會(huì)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(jìn)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(jiǎn)潔等特性，進(jìn)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?fù)浣Y(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(dòng)損耗強(qiáng)相關(guān)參數(shù)有10倍的優(yōu)勢(shì)。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(jí)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?fù)洌捎?00伏氮化鎵器件，工作頻率更高，同時(shí)芯片面積更小，進(jìn)一步提升模塊的功率密度。

在直接對(duì)芯片供電環(huán)節(jié)主要會(huì)用到Buck拓?fù)?，隨著芯片算力的提升，對(duì)動(dòng)態(tài)響應(yīng)要求更高，這就需要提供系統(tǒng)工作頻率，同時(shí)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(dòng)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。基于氮化鎵器件，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(jìn)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(dòng)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(shí)，有了這5%的提升，帶來電能的節(jié)省相當(dāng)于1.5個(gè)三峽電站的節(jié)能，無論帶來的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)還是碳中和、碳達(dá)峰的社會(huì)可持續(xù)發(fā)展，價(jià)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(jìn)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(duì)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(shí)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。