谈谈GaN功率器件未来5-6年的发展趋势

作者：黄烨锋

各行各业如今都在追求“效率”“能效”，电源、功率相关的应用上，更高的效率意味着更高的功率密度：包括追求体积更小的解决方案，并确保所需的功率级;包括数据中心、电动汽车等诸多领域，都有这样的需求。与此同时电源管理系统对于实现更高的效率，降低总成本也是有价值的。

这些需求自然也推升了半导体材料的突破，所以这两年我们看到原本主流基于硅的功率半导体因受限于高压，当前行业正转向更高开关频率、最小化开关损耗的的方案，比如说基于GaN氮化镓的功率器件——实现整体AC/DC转换效率达到大约98%。

Yole Developpement今年发布的GaN Power 2021报告预期，到2026年GaN功率市场规模预计会达到11亿美元。所以这两年活跃于市场的GaN功率器件与更完整的解决方案层出不穷。其中比较具有代表性的是今年英飞凌发布的CoolGaN™ IPS系列产品：也就是集成了driver和GaN HEMT晶体管的整合型产品。

之所以说CoolGaN™ IPS有代表性，主要是因为其技术特性、覆盖应用场景，与当代GaN功率器件市场的发展相当契合。藉由这款产品，以及Yole与其他分析机构的预期数据，我们来看看GaN功率市场当前的发展现状：这种被称作第三代半导体的一个重要组成部分，未来的市场前景比我们预想中更好。

Yole预期2026年的GaN功率市场规模为11亿美元。我们找两个统计机构的参考：Yole这个量级的数据预期和MarketsAndMarkets的数据略有差异。后者前两年的报告预期2023年，GaN功率器件市场规模就能达到18.9亿美元。还有一家做过此类市场统计的，Allied Market Research数据提及2027年GaN功率器件市场规模到2027年预计是12.45亿美元

三家机构的统计范围可能是存在差异的，不过总体上对于GaN功率市场的上升速度预期比较类似。本文我们主要参考Yole的数据。首先我们来谈谈GaN功率器件不同应用市场的发展情况。

2020-2026，这一市场的主力应用方向预计都将是消费应用：2026年消费应用会占到整个GaN功率市场的大约61%——2020年这部分市场规模是2870万美元，2026年则将大幅扩张至6.72亿美元，CAGR 69%。从OPPO较早为其手机配备65W功率的氮化镓充电器开始，去年诸多手机OEM厂商和配件供应商都开始提供氮化镓快充解决方案。

英飞凌CoolGaN™ IPS(Integrated Power Stage)600V系列方案面向中低功率应用，一大目标市场就在USB-PD充电器与适配器(另外还包括电机驱动器、开关电源、超薄电视电源等)，主要基于这类型的产品更小的尺寸与更高的功率密度需求。且IPS的集成形态，将GaN晶体管与EiceDRIVER驱动器以紧凑的QFN封装，提升了设计的易用度、减少time-to-market时间。事实上更高的集成度是在GaN晶体管特性的基础上，做到应用小型化、轻盈化的更进一步。

英飞凌在接受我们采访时提到，“尤其是半桥架构，在一个8*8封装内，集成了上下桥臂的GaN switch，以及两路driver和隔离单元，尤其适用于ACF，LLC等拓扑，无需使用单独的隔离驱动器，节省成本和占板面积。”

另外一点是以SiP(System-in-Package)的方式集成，加上gate driver的高精度和稳定传输时延，实现了较低的系统死区时间(dead times)。最终实现的功率密度是35W/inch³。所以我们看到市场上的很多高功率电源适配器尺寸变得越来越小。

Yole在报告中提到去年功率GaN市场容量是翻倍的，这主要得益于快充应用的渗透，而且这种市场趋势会在配件市场上延续——尤其是在苹果、小米、三星等厂商对其旗舰手机产品不再采用随机附赠的充电器解决方案以后。

除了消费电子市场外，另外两个比较重要的市场驱动力是电信与数据通讯(telecom & datacom)和汽车(automotive & mobility)市场——也是未来市场起量的重要组成部分。汽车市场的增量在这6年间将实现CAGR 185%的增长，2026年的市场规模预期1.55亿美元。

而在电信和数据通讯市场，对GaN的应用会比消费市场更早一些，因为该市场目前对于能耗，有更高效、尺寸更小的需求。根据英飞凌透露，英飞凌CoolGaN™早就2017年就已经在通讯电源和服务器电源上批量出货。所以这一市场2020-2026 CAGR会达到71%，预期6年后的市场规模可超2.23亿美元。

Yole总结功率GaN市场的技术趋势，其中比较重要的一点是以爆发的快充市场为目标，更多的市场参与者会进入到GaN-on-Si e-mode(增强型)技术领域——这一平台来未来几年内会持续扩容，虽然更大wafer尺寸的外延生长是存在挑战的。

这张图是相关GaN-on-Si专利公布数量这些年的发展趋势——不过方向涵盖了光电、功率、射频、传感器等，其中绿色的是我们本次关注的功率器件部分。其整体大趋势走势都在往上。

英飞凌CoolGaN™ IPS中的CoolGaN™ HEMT器件就是GaN-on-Si工艺，且以e-mode结构在控制系统成本的情况下实现较高的效率。英飞凌此前表示，这种e-mode(enhancement mode)提供开关速度的同时，能够获得更好的芯片集成性。

GaN HEMT的晶体管层外延生长在硅基上，包括GaN、AlGaN和p型掺杂GaN再做沉积，是为GaN-on-Si。HEMT CoolGaN™晶体管结构如上图所示。基于GaN-on-Si的HEMT功率器件能够提供比较出色的FOM(品质因数)。值得一提的是，英飞凌表示，GaN晶体管的源极与栅极之间的的内在二极管的存在，消除了反向恢复电荷，对于硬开关电源半桥解决方案，很适配GaN技术;比如跑在不间断电流模式下的PFC(功率因数校正)电路，可获得较高的效率。

所以相关于e-mode——增强型器件，也是现在的一个热点。GaN器件在系统中没有栅极信号的情况下，导通沟道为“normally-on”状态即d-mode HEMT，而normally-off模式的为e-mode。对于d-mode晶体管而言有多种技术实现normally-off关断状态，比如说凹槽栅(recessed-gate)技术;或者也可以加个低压共源共栅开关晶体管(Cascode级联技术)，保持沟道的normally-off态等。类似这样的方法会影响到器件工作时的稳定性、性能，相比于真正e-mode晶体管会存在一些问题。

还有一种方法，也就是前面提到的p-gate结构技术，以氮化镓掺杂应用于栅极，开关即默认处在normally-off模式。这种方法虽然也存在一些技术挑战和难点，但优势在于更高的稳定性，而且不需要稳压二极管来保护栅极;与此同时p-gate随温度变化提供更好的动态RDSon。

所以从整体上来看，CoolGaN™ IPS都是相当契合GaN功率器件市场与技术的发展主流方向的产品。CoolGaN™ IPS是英飞凌最新的宽禁带功率半导体器件产品组合，其600V产品家族包括半桥和单通道配置方案;将CoolGaN™ e-mode HEMT开关和EiceDRIVER栅极驱动器作了整合。这些前文多少也都提到了。

可在技术趋势方面做补充的是，这里的gate driver驱动器输入输出隔离是基于英飞凌的单芯片无磁芯变压器CT(Coreless Transformer)技术。英飞凌告诉我们，这项技术内置于IPS产品之上，提供低时延、耐干扰、高可靠的驱动隔离。具体体现在(1)低于47ns的时延，支持1MHz高频开关，死区控制更精准，半桥控制一致性更好;(2)无磁芯变压器驱动，气隙隔离更安全，1A/2A驱动能力更强。

另外，CoolGaNTM IPS采用外部可配置驱动RC网络，优化具体路线dv/dt;输入/输出级功能绝缘，上、下管可承受更高的dv/dt及共模噪声干扰，提高产品的可靠性。

回到GaN功率器件市场的发展。长期发展来看，GaN的可靠性、成本效益未来对于渗透更具挑战性的EV/HEV逆变器市场和工业市场而言都会具备相当的价值。这些对于GaN而言都是走量的机会，市场参与者也已经普遍在这方面做部署。

对于GaN功率器件在消费电子、汽车应用市场未来的发展潜力，几乎是我们看到所有分析机构的共识，文首也已经提到了。与此同时，Allied Market Research总结了这一市场的几个影响因素，比如GaN器件价格的下降，促成各行业的应用;甚至同时提供可一定程度媲美SiC的性能水平，而价格更低。GaN-on-Silicon是获得价格和性能优势的基础。

另一个重要因素是全球各国政府在HVDC(高压直流)电力传输系统以及智能电网方面的激励政策，包括中国、日本、美国。GaN功率器件模组的变频器在HVDC系统中正变得流行，各国政府对于智能电网技术投入力度很大，这也会成为重要的驱动力。

除此之外，分析机构普遍还提到了电动车、无线充电、5G基础设施等技术发展对于GaN功率市场的促进作用，这些在前文也已经提到过。渗透到更多的市场，并且与其他宽禁带器件构成竞争或互补的关系，将是GaN未来几年的发展走向。