GaNは、どこに行くの?

氮化鎵(GaN)何去何從?氮化鎵市場、應用與未來

在電力轉換領域,矽的優勢正在被耗盡——而氮化鎵技術正在發展。氮化鎵(GaN)提供更快的開關速度、更小的尺寸、更高的效率、以及更低的成本。除了氮化鎵(GaN)的眾多優勢外,瞭解氮化鎵(GaN)市場,以及其各種應用和氮化鎵(GaN)不斷發展的未來同樣重要。讓我們一起看看氮化鎵(GaN)是如何改變我們的生活方式。

氮化鎵(GaN)能取代矽嗎?

氮化鎵(GaN)功率電晶體和積體電路的初期採用者是那些利用GaN-on-Si電晶體開關速度比MOSFET快約10倍,比IGBT快100倍的應用。例如用於4G/LTE基站的射頻包絡跟蹤 以及用於自動駕駛汽車、機器人、無人機和安全系統的光探測和測距(鐳射雷達)系統等應用,是第一批充分利用氮化鎵高速交換功能的批量應用。

由於這些早期應用,產量已經增長,現在氮化鎵(GaN)功率器件的價格相當於具有類似導通電阻的MOSFET 元件。這使得更多的傳統應用,如用於數據中心和計算的 48v DC/DC 轉換,用於移動、機器人、無人機和大批量汽車應用的 BLDC 電機,都可以採用基於氮化鎵(GaN)的解決方案。

氮化鎵(GaN)與碳化矽(SiC)相比有什麼優勢?

矽基板氮化鎵(GaN-on-silicon)和碳化矽(SiC)都是寬頻隙半導體解決方案,它們能夠比單獨的矽承受更高的電壓,更高的頻率,並集成更多的產品。這些因素導致了碳化矽和氮化鎵在電子市場的廣泛採用。SiC 是 900 V 及以上高壓應用的理想選擇。矽基板氮化鎵(GaN-on-silicon)巧妙地解決了 700 V 及以下的應用。氮化鎵、SiC 和矽 IGBT之間的競爭領域是電動汽車上的電動驅動器的設計電壓位於700至900伏之間的應用。

氮化鎵(GaN)的市場展望

根據市場研究公司Yole Développement的估計,氮化鎵功率設備市場將從2021年的1.26億美元增長到2027年的20億美元,複合年增長率(CAGR)為59%。

這一增長的很大一部分將由消費市場推動,包括智能手機和平板電腦中的快速充電器、d 類音頻、充電寶和飛行時間感測器。在這些應用中,氮化鎵提供更高的功率密度、更好的熱性能和更小更輕的解決方案。

在高功率密度計算和汽車 DC-DC 轉換器中,向48伏電源系統的轉變正在推動電信/數據通信和汽車/移動性兩個市場領域的增長。48v 系統降低了數據中心的功耗,而這些系統的需求使氮化鎵優於矽。

隨著可再生能源的採用加速,太陽能微逆變器、優化器和儲能系統的製造商越來越多地採用氮化鎵設計,以提高效率、功率密度和可靠性。包括BRC Solar和Solarnative在內的幾家製造商已經宣佈了基於氮化鎵的解決方案。

GaN Power ICs are more sustainable than silicon

氮化鎵如何支持新應用

數據中心伺服器

雲計算的增長正在強迫數據中心相應地增長,而數據中心是能源的主要消費者。降低能源損耗的一種方法 是在將電力從數據中心的輸入端引向最終負載點的過程中,消除一個電力轉換階段。通常,電力轉換分為兩個階段,從背板上的48伏轉換為處理板上用於分配的12伏,最終在數字晶片實際使用電力的地方轉換為1伏左右。有了氮化鎵的高開關速度,小尺寸和更高效率,電源供應設計師現在有能力直接將電源從48伏轉換到負載點需要的1伏範圍,而無需在12伏處停留。考慮到支持雲基礎設施所需的計算能力和數據中心的快速擴展,這種單級架構的潛在節能潛力是巨大的。

自動駕駛汽車/增強現實

GaN enables Autonomous Vehicles 氮化鎵使自動駕駛汽車成為可能一項令人興奮的氮化鎵應用是自動駕駛或自動駕駛汽車。仔 細觀察右邊的圖像,你會發現它是車輛頂部的 鐳射雷達(光距離和測距)系統,為車輛提供了 “眼睛”。鐳射雷達設備快速發射一束定向光束,並記錄光束返回所需的時間以及發射的方 向,從而創建車輛周圍環境的 360 度三維圖像。雷射光束傳輸速度越快,鐳射雷達探測到的測繪或定位物體的解析度就越高。鐳射雷達系統的核心是氮化鎵技術起著至關重要的作用;它能使鐳射信號以比同類矽元件更高的速度發射。

GaN is used in augmented reality devices氮化鎵用於增強現實設備,類似的鐳射雷達技術也被設計用於增強現實耳機,為用戶提供三維即時圖像。除了我們現在看到的將其用於遊戲之外,增強現實還使士兵能夠看到遠處的敵人,就像他們站在他們面前一樣。敵後的圖像是由一架帶有鐳射雷達的無人機拍攝的。對於平民來說,增強現實耳機可以用來訪問世界上任何地方的三維即時圖像。機器人中的氮化鎵器件 GaN devices in Robots

同樣使用鐳射雷達的還有最先進的機器人。這些機器人使用鐳射雷達作為自己的“眼睛”,因為鐳射雷達速度快、精度高,而且創建三維數字圖像所需的計算量更少。

耐輻射與空間

Gallium Nitride devices used in space applications用於空間應用的氮化鎵器件氮化鎵器件在空間中。這是許多氮化鎵應用的一個不可避免的領 域,因為氮化鎵本身是耐輻射的。不像矽,需要特殊的製造技術和特殊的包裝來保護半導體 免受輻射的影響,氮化鎵的天然特性使它相對免受這些有害射線的影響。

氮化鎵電晶體用於離子推進器,用於轉換衛星太陽能電池板的功率,用於驅動小型立方體衛星使用的反應輪的堅固耐用的高精度無刷直流電機,用於太空任務中使用的機器人和自動化儀器,以及使用鐳射雷達的測距應用。除了在惡劣環境中生存的能力外,氮化鎵器件的小尺寸和高效率使其在空間應用中非常有吸引力。

馬達驅動器

Gallium Nitride for motor drives用於電機驅動的氮化鎵(GaN)對電動汽車(eMobility)日益增長的需求需要高效、緊湊的電機驅動。氮化鎵場效應管和積體電路使逆變器的設計能夠提高電機效率,同時減小尺寸、重量和成本。這使得電機系統更小,更輕,噪音更小,並且具有更大的扭矩,更大的範圍和更高的精度。這些優勢為電動自行車和踏板車以及吸塵器和無人機等個人機器人製造了更小、更輕、更高效的電機系統。

可再生能源

GaN-based power solutions for renewable energy為了加速可再生能源的採用,必須在不犧牲長期可靠性的前提下實現更高效的轉換、更大的儲能容量和更低的成本。基於氮化鎵的電源解決方案使太陽能微型逆變器,優化器和用於太陽能的能量存儲系統能夠提高效率,減少尺寸和成本,同時提供無與倫比的穩健性。

醫療技術

Gan use in medical technologiesGan 在醫療應用中發揮著重要作用,我們才剛剛開始發現和實施創新的解決方案。使用氮化鎵電晶體的無線電源可用於為植入式醫療設備充電,如糖尿病患者所需的心臟泵和疼痛閃爍器,從而消除了從體內伸出電線的需要-電線容易引起感染。

Gallium Nitride is used in imaging equipment氮化鎵(GaN)用於成像設備,另一個很好的例子是在藥丸大小的極小 x 光機上使用氮化鎵組件。這種藥丸用於進行結腸鏡檢查。只要吞下,就會在藥丸穿過消化道的過程中拍攝圖像。來自x 光設備的數字資訊被無線傳輸到患者體外的接收器,由醫生進行評估。對病人來說,檢查更加容易。對醫生來說,這意味著更高解析度的結腸成像。在這種應用中,氮化鎵(GaN)極小的尺寸和高開關速度是為藥丸內的 x 射線裝置供電的關鍵。

核磁共振成像儀也利用氮化鎵(GaN)的優越性能,獲得 10 到 100 倍的高解析度,從而可以更早、更準確地發現癌症和其他疾病,而且成本更低。

無線供電

Gallium Nitride in the wireless home無線電源的出現是由氮化鎵(GaN)實現的另一個可識別的應用。不再需要電線——我們可以切斷電線。無線充電的手機已經上市,平板電腦、電腦,甚至移動推車上的醫療器械也不遠了。汽車中控臺不僅將成為手機無線充電的來源,而且很快也將成為汽車整個資訊娛樂和導航系統的充電來源。最終,整個家庭都可以配備發射器和中繼器,為電燈、電視和其他家用電器無線充電。氮化鎵電晶體正在支持這一令人興奮的、迅速興起的應用……並改變我們的生活方式。

氮化鎵(GaN)的未來

氮化鎵(GaN)作為一項技術僅僅處於起步階段,在過去的幾年裏才開始商業化,相比之下,矽器件已經存在了 70 多年。如圖所示,利用氮化鎵(GaN)優越的效率、開關速度和尺寸的應用已經出現。未來是有希望的,因為氮化鎵(GaN)技術的學習曲線不斷攀升,其最終用途變得更加廣泛,性能也逐年提高。