助力碳中和,GaN加深綠色能源領域滲透

作者 | 發(fā)布日期 2024 年 03 月 18 日 18:00 | 分類 產(chǎn)業(yè)

自2018年10月25日,MU發(fā)布全球首款GaN充電器,將GaN正式引入消費電子領域以來,短短幾年間,各大GaN廠商紛紛涉足相關產(chǎn)品。當前,GaN消費電子產(chǎn)品市場已是一片紅海,競爭日趨激烈。

面對GaN在消費電子領域應用現(xiàn)狀,相關企業(yè)開始尋求新的增量市場,GaN技術應用由此逐步向新能源汽車、光伏、數(shù)據(jù)中心等其他應用場景延伸。GaN的特殊價值,正在消費電子之外的多個領域持續(xù)釋放。

GaN正在加速“上車”

在汽車電動化與智能化趨勢下,汽車搭載的電子電力系統(tǒng)越來越多。而與傳統(tǒng)硅材料相比,基于GaN材料制備的功率器件擁有更高的功率輸出密度和更高的能量轉(zhuǎn)換效率,并可以使系統(tǒng)小型化、輕量化,有效降低電力電子零部件體積和重量,GaN由此在新能源汽車領域覓得發(fā)展良機。

隨著新能源汽車市場爆發(fā),GaN已率先在車載激光雷達產(chǎn)品中落地應用,并在車載充電器(OBC)、DC/DC轉(zhuǎn)換器等部件中有一定應用潛力,未來可期。風口下,整車廠商、零部件供應商、GaN相關廠商等紛紛嘗試將GaN產(chǎn)品引入新能源汽車領域。

優(yōu)越的開關性能使得GaN更適合用于車載激光雷達,伴隨著激光雷達在量產(chǎn)新能源汽車中的應用力度持續(xù)加大,GaN器件產(chǎn)品成為“香餑餑”。2023年,英諾賽科低壓車規(guī)級GaN產(chǎn)品已在頭部車企的車載激光雷達中得到應用,并實現(xiàn)量產(chǎn)。英諾賽科還在2023年底推出100V車規(guī)級GaN器件新品,目前已通過AEC-Q101認證,該產(chǎn)品同樣適用于自動駕駛及其他先進駕駛輔助系統(tǒng)應用中的車規(guī)級激光雷達。

圍繞新能源汽車車載充電器(OBC),GaN Systems在應用電力電子會議 (APEC 2023) 上發(fā)表了11kW/800V氮化鎵車載充電器參考設計,與采用SiC產(chǎn)品相比,功率密度提高36%,整體物料清單 (BOM) 成本至少降低15%。此外,GaNPower也已開始布局GaN在OBC上的應用研發(fā),并且和汽車電子公司加拿大麥格納集團簽署了戰(zhàn)略合作協(xié)議。

高壓汽車應用GaN解決方案供應商VisIC公司則將目光瞄準了電動汽車逆變器,在2021年12月已開始和汽車動力總成技術公司hofer powertrain共同開發(fā)用于800V汽車應用的基于GaN的逆變器,而在2023年9月,VisIC又開始與化合物半導體材料供應商IQE合作開發(fā)用于電動汽車逆變器的高可靠性D型GaN功率產(chǎn)品。

值得一提的是,博世正在開發(fā)一種在歐洲生產(chǎn)的、用于汽車的1200V氮化鎵技術。在新能源汽車領域,GaN器件目前主要占據(jù)400V以下應用,在中低端汽車市場發(fā)展空間較大。同時,GaN器件正在往高壓應用上推進研發(fā),除博世研發(fā)車用1200V氮化鎵技術外,GaNPower已向業(yè)界展示過首款1200V單芯片(E型GaN功率器件)。

整體來看,氮化鎵在新能源汽車領域的發(fā)展?jié)摿Σ蝗菪∮U,正在加速置身于應用大舞臺的聚光燈下。

GaN在光伏領域持續(xù)滲透

在光伏領域,GaN光伏逆變器可將功率密度提高5倍以上,應用方面的突破性進展使得GaN功率器件找到了又一個可以釋放價值的市場。

早在2022年11月,美國光伏企業(yè)Solarnative宣布,旗下微型光伏逆變器Power Stick搭載了由EPC提供的GaN器件,實現(xiàn)了業(yè)內(nèi)最佳的功率效益——將功率密度提升了5倍。

GaN器件應用對于光伏逆變器性能提升是顯著的,吸引了不少廠商的目光。聚焦將GaN引入光伏逆變器這一主題,相關廠商開啟了一系列動作。

產(chǎn)品方面,英諾賽科在2023年7月開始將GaN應用于光伏領域,以期進一步縮小模塊體積,提高系統(tǒng)效率。而在今年2月底的APEC 2024展會上,英諾賽科展出2KW微逆方案,搭配使用了150V GaN和650V GaN。相比傳統(tǒng)Si方案,2KW微逆體積減小約20%,功率器件損耗減小35%,不僅大幅提升系統(tǒng)性能,還能降低成本。

合作方面,2023年12月,EET公司選用了EPC的增強型氮化鎵(eGaN?)功率晶體管用于其新型SolMate?綠色太陽能陽臺產(chǎn)品。英飛凌則在今年2月與Worksport達成合作,將在后者的便攜式發(fā)電站的轉(zhuǎn)換器中使用GaN功率器件。

通過導入GaN器件,EET和Worksport公司相關產(chǎn)品在效率、開關頻率等方面得到了顯著提升,同時大大降低了體積重量和系統(tǒng)成本。

越來越多的應用案例表明,GaN有望成為光伏行業(yè)的“主力軍”之一。

GaN在數(shù)據(jù)中心領域應用進展

服務器電源及其冷卻系統(tǒng)對能源消耗,占據(jù)了數(shù)據(jù)中心較大一部分運營成本,而GaN能夠提供卓越的性能和效率,使得數(shù)據(jù)中心減少對冷卻系統(tǒng)的需求,更加節(jié)能,并最終使數(shù)據(jù)中心更具成本效益,因而數(shù)據(jù)中心工程師越來越傾向于使用搭載GaN器件的電源模塊。

GaN在數(shù)據(jù)中心電源模塊的應用方面,英諾賽科推出了搭載100V SolidGaN的1kW DCDC電源模塊和搭載650V GaN的2kW PSU方案,契合當前AI、云計算對數(shù)據(jù)中心供電高效高功率密度的需求。

而納微半導體基于其最新高功率氮化鎵芯片GaNSafe?打造的CRPS185?3200W鈦金Plus效率服務器電源,以98W/inch3的超高功率密度和96.52%的極高峰值效率,成為數(shù)據(jù)中心服務器電源產(chǎn)品新標桿。

此外,CGD正在與群光電能科技和英國劍橋大學技術服務部 (CUTS) 共同設計和開發(fā)使用GaN的先進、高效、高功率密度數(shù)據(jù)中心電源產(chǎn)品。

GaN本身的開關損耗小,非常適合應用于數(shù)據(jù)中心的電源模塊,并已落地相關案例,未來仍可能向電源之外的其他部件延伸應用,在數(shù)據(jù)中心領域的前景可期。

總結(jié)

消費電子是GaN器件已經(jīng)大規(guī)模出貨的市場,搭載GaN器件的PD充電器有望成為手機、筆記本充電器的主流產(chǎn)品,未來,GaN大概率將會滲透到更多類型的消費電子產(chǎn)品當中。

新能源汽車也是GaN應用潛力較大的市場之一,GaN可以用到新能源汽車的牽引逆變器、電機控制與驅(qū)動、OBC、DC/DC轉(zhuǎn)換器、激光雷達上的電源模塊等場景中,目前已有相關車規(guī)級GaN產(chǎn)品得到實際應用,將朝著高壓、高功率密度、高可靠性等方向持續(xù)進行技術優(yōu)化升級。

在光伏領域,目前已經(jīng)有部分微型逆變器產(chǎn)品導入了GaN器件,GaN器件的價值體現(xiàn)在促成光伏逆變器的小型化與輕量化、大幅降低成本等多個方面,有望推動光伏逆變器向家用等場景不斷延伸。

隨著數(shù)據(jù)中心的算力和功率不斷攀升,能耗也越來越大,業(yè)內(nèi)致力于在同樣的體積下不斷提升功率密度,而GaN在提升功率密度方面有優(yōu)勢,同時,保證了在各種負載狀態(tài)的高效率,因此,越來越多的數(shù)據(jù)中心廠商開始導入采用GaN器件的電源模塊。此外,GaN也可用于數(shù)據(jù)中心的高速通信模塊,提供更快速、穩(wěn)定和可靠的數(shù)據(jù)傳輸。GaN在數(shù)據(jù)中心領域的應用潛力充分釋放后,GaN廠商有望獲得又一增量市場。

目前看來,GaN應用場景大多集中在650V以下的中低壓功率器件范圍,隨著技術水平持續(xù)提升以及成本不斷優(yōu)化,GaN有能力沖擊高壓范圍。

根據(jù)TrendForce集邦咨詢《2023全球GaN功率半導體市場分析報告》顯示,全球GaN功率元件市場規(guī)模將從2022年的1.8億美金成長到2026年的13.3億美金,復合增長率高達65%。預計至2025年左右,GaN將小批量地滲透到低功率OBC和DC-DC中,再遠到2030年,OEM或考慮將該技術引入牽引逆變器。(文:集邦化合物半導體Zac)

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