氮化镓功率器件：从消费电子向数据中心迈进

以碳化硅、氮化镓为主的第三代半导体材料得以大力发展，譬如氮化镓功率器件在充电器和手机等消费类电子上得到越来越多的采用。在经过消费电子的历炼后，氮化镓器件的应用逐渐向工业、数据中心等领域拓展。在日前举办的2022集邦咨询第三代半导体前沿趋势研讨会上，集邦咨询分析师龚瑞骄以及英诺赛科产品应用总监邹艳波分享了氮化镓市场的最新动向。

龚瑞骄介绍，氮化镓材料被广泛应用在功率半导体、微波射频元件、光电子元件。在Power领域，目前主流的器件类型是硅基氮化镓，Transphorm、Navitas、Innoscience等厂商均是采用这类的结构。另外在RF元件市场，主要以碳化硅基氮化镓为主流的结构，相关厂商有住友电工、科沃、NXP、Wolfspeed等。

氮化镓功率元件目前是成长最快的市场，驱动力来自于消费电子市场，绝大部分价值体现在快速充电器，其他产品还包括无线充电、消费型激光雷达等。数据中心作为另外一个重要的市场，氮化镓元件有助于提供更为高效紧凑的电力架构。

汽车市场方面，在车身OBC、DC/DC、激光雷达中氮化镓有非常好的应用。集邦咨询预估氮化镓功率元件市场规模将在2022年达到2.6亿美元，2026年成长至17.7亿美元，复合增长率达到61%。



他进一步分析，从硅基氮化镓供应链的情况来看，绝大部分厂商的产品集中在600到650伏区间，Fabless厂商当中EPC专注于低压市场，该公司有意成为48伏系统的领导者。GaN Systems覆盖低压和中高压产品。在Foundry市场TSMC是当前最大的功率氮化镓代工厂，他的客户有纳微半导体、GaN Systems等，其他代工厂包括X-Fab和汉磊等。另外欧洲的BelGaN公司今年收购了安森美比利时6英寸晶圆厂，决心成为欧洲汽车氮化镓功率半导体代工厂。IDM部分ROHM今年开始计划量产150伏的氮化镓功率元件，TI、英诺赛科产品覆盖低压和中高压产品。业界有些厂商推出了900伏以上的产品，包括Transphorm、GaNPower，以及中国大陆华润微电子旗下的润新微、镓未来。

随着氮化镓技术不断成熟以及成本不断降低，龚瑞骄表示，氮化镓的功率元件应用市场由当前的消费电子逐步延伸到数据中心、通讯、可再生能源等工业市场，最后再到汽车领域。

数据中心中SOLUM已经与氮化镓功率元件商取得合作，开发更为高效节能的服务器电源。在可再生能源领域，氮化镓非常适用于户用的微型逆变器，ENPHASE、AP systems 、hoymiles正在开发更为高效的光伏逆变器。

而在汽车市场上，氮化镓受限于当前供应链生态以及产能、技术不成熟，所以目前还处于非常早期的阶段。

英诺赛科氮化镓器件赋能数据中心

随着未来数字化进程的加速，数据中心耗电量也是非常惊人的，预估2030年数据中心的耗电量会达到3000Twhr，相当于全球能耗的10%，因此，我们非常迫切需要提升解决方案，找到更绿色、低碳的发展模式。

英诺赛科产品应用总监邹艳波分析，数据中心国内主流的供电架构是前端通过UPS再通过PSU电源再转到12伏的母线，再上到主板，主板再给芯片供电。数据中心建设好以后，扩容会受限于UPS的布局，架构灵活性比较低。UPS的引入增加了两个电力转换环节，一个是AC转DC，一个是DC转AC，这两个环节的加入会加大电路能量传输过程中的损耗，从而导致效率偏低。


接下来，12伏母线为主板电源供电，连接线路上会带来额外的损耗，线路阻抗的损耗跟电流成平方关系，电流提升会带来损耗急剧上升，同时损耗会带来发热，限制功率提升。

如果采用新的48伏架构，母线调整成48伏，在同样的转接损耗下可以做到功率提高4倍。备电的电池放到48伏母线这里，这样就省掉UPS电路转换的环节，供电电路效率有所提升。

他进一步分析，具体来看，在AC转DC的PFC环节，氮化镓具有没有反向恢复损耗、开关损耗小，器件数量少、电路简洁等特性，进一步提升效率和功率密度。400伏转48伏环节，以主流的LLC拓扑结构来看，与谐振死区相关的器件参数，氮化镓器件比硅MOS小6倍，与开关速度和驱动损耗强相关参数有10倍的优势。从而带来电路上的差异，死区减少，谐振电流幅值下降，变压器电流下降，使得变压器的损耗变小，提高功率密度。

接下来48伏母线转12伏，在主板上需要增加一级的电源转换，在空间有限的情况下需要提高效率和功率密度，减少损耗。这里选择用LLC的拓扑，采用100伏氮化镓器件，工作频率更高，同时芯片面积更小，进一步提升模块的功率密度。

在直接对芯片供电环节主要会用到Buck拓扑，随着芯片算力的提升，对动态响应要求更高，这就需要提供系统工作频率，同时也需要在控制方面做一些优化。30伏氮化镓器件开关速度提升三倍，使得工作频率更高，从而提升动态响应。

另外，数据中心高算力所需的大电流在PCB走线上的线路损耗跟电流呈平方关系，如何减少线路的阻抗非常关键。基于氮化镓器件，可以把频率做高，把磁做得更小更薄，可以做成集成的小模块，放在芯片的下端进行垂直的供电，可以大大减少供电的路径，使得效率更高，阻抗更小，动态响应更好。

总之，数据中心的供电架构，从前端到DC/DC到芯片的供电，可以全链路采用氮化镓的解决方案提升供电链路的功率密度和效率。整体效率可以提升5%，这意味着如果2030年数据中心的能耗是3万亿千瓦时，有了这5%的提升，带来电能的节省相当于1.5个三峡电站的节能，无论带来的经济效应还是碳中和、碳达峰的社会可持续发展，价值都是非常巨大的。

据介绍，英诺赛科可以为数据中心的用户提供全套的氮化镓解决方案。例如400伏转48伏、48伏转12伏都有相应的产品。为了功率密度进一步提升，英诺赛科可以做到尺寸更小、效率更好的方案。针对后期直接给芯片供电，还有30伏的产品满足芯片需求。

英诺赛科拥有目前全球最大的8英寸氮化镓研发基地、生产基地。2017年珠海研发生产基地量产，目前产能每月有4000片晶圆。2018年布局的英诺赛科苏州工厂规模更大，规划产能为每月6.5万片，去年6月份实现量产。英诺赛科珠海和苏州的产能超过全球氮化镓产能的50%以上，因此，能够给客户提供自主可控的产品和产能的保障。

器件数据中心前沿咨询

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