英飞凌展台
随着新能源多应用市场的蓬勃发展，第三代半导体技术正日益成为新质生产力的支撑，而宽禁带半导体如碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）则在绿色能源产业中起到的作用与日俱增。 日前，英飞凌在2024慕尼黑上海电子展上，展示了其广泛的功率和电源类半导体产品。展会以“低碳化和数字化推动可持续发展”为主题，突出英飞凌在绿色低碳技术领域的深厚积淀和创新解决方案，涵盖绿色能源与工业、智能家居和电动汽车等应用市场。 在展会同期，英飞凌特意举办了一场专门的氮化镓新品媒体沟通会。在会上，英飞凌科技大中华区消费、计算与通讯业务市场总监程文涛，以及英飞凌科技大中华区消费、计算与通讯业务高级首席工程师宋清亮接受了与非网记者的采访，深入讨论了英飞凌在氮化镓领域的技术创新和市场应用方面的最新进展和战略规划。
氮化镓市场爆发驱动产业并购频发
第三代半导体包括碳化硅和氮化镓，它们相比传统硅材料具有更高的禁带宽度，能够在更高的电压、更高的温度和更高的频率下工作。这使得它们在高效能和高密度功率转换应用中表现尤为出色。随着电动汽车、光伏发电、5G通信和智能电网等新兴市场的快速发展，对高性能功率半导体的需求急剧增加。宽禁带半导体凭借其卓越的性能，成为推动这些市场发展的重要技术支撑。
英飞凌科技大中华区消费、计算与通讯业务市场总监程文涛
硅、碳化硅和氮化镓将分别应用于不同场景。程文涛强调，客户对这三种材料的接受程度因人而异，且工程师的使用习惯和终端客户的接受程度也会影响市场发展。他举例道，有些服务器客户偏好碳化硅，而另一些则认为氮化镓是功率半导体的未来。宋清亮进一步解释，硅、碳化硅和氮化镓各有优劣，最终的市场选择还需根据技术进步和成本效益来决定。例如，在高频、高效要求较高的应用中，氮化镓具有优势，而在大电流、低频应用中，碳化硅则更为合适。 谈及氮化镓在市场上的优势，程文涛指出，氮化镓材料的高开关速度使其在节能、节省成本和节省材料方面具有显著优势。氮化镓的开关速度比硅和碳化硅更快，能够显著提升开关频率，从而减少被动元器件的体积和散热器的需求，进而节省物料。同时，氮化镓和碳化硅相比硅具有更低的导通阻抗，能够提高效率，降低系统成本。 根据市场研究机构Yole的预测，到2026年，氮化镓的市场规模将达到约10亿美元，而碳化硅则将达到约30亿美元。到2028年，氮化镓市场将达到20.8亿美元，2022年至2028年的复合年增长率将保持在44%。其中，汽车和通信市场是氮化镓增长的主要动力。尽管消费行业目前是氮化镓的最大市场，但利润率较低，相比之下，汽车和服务器电源等高利润市场正稳步增长，对氮化镓产品的技术要求也在逐步提升。 为增强市场占有率和产品线，英飞凌于2023年10月以8.3亿美元收购了GaN Systems。GaN Systems成立于2008年，专注于氮化镓产品研发，是台积电在氮化镓代工上的最大客户。此次收购使英飞凌拥有450名氮化镓技术专家和350多个氮化镓技术专利族，两家公司合计市场份额约占15%。收购GaN Systems不仅使英飞凌的产品种类得到了扩展，也极大拓宽了其技术研发的思路。程文涛强调，英飞凌在收购后，IP储量居于业界领先地位，研发和推向市场的速度也得到了显著提升。 据了解，氮化镓市场的快速增长也引发了其它业内巨头的关注和投资。德州仪器正在将其多个工厂的氮化镓芯片生产从6英寸晶圆转换为8英寸晶圆，降低成本并提高竞争力。瑞萨电子在2023年1月以3.39亿美元收购了Transphorm，扩展了其在电动汽车、计算、可再生能源、工业电源及快速充电器等市场的业务。 英飞凌科技大中华区消费、计算与通讯业务市场总监程文涛对与非网记者表示，产业并购主要由两个因素驱动。一方面，大公司在技术演进上有深厚的积累，但创新速度较慢；另一方面，小公司能够进行颠覆性创新，但需要依托大公司的产能和平台加速市场推广。因此，未来氮化镓技术的发展中，类似的并购现象仍将持续。通过并购，大公司可以快速获取先进技术和市场资源，而小公司则可以利用大公司的优势加速成长，实现双赢。
种类增加，英飞凌氮化镓产品线介绍
自2023年10月成功收购氮化镓系统公司（GaN Systems）以来，英飞凌的氮化镓产品组合得到了显著扩展。程文涛介绍道，目前英飞凌的氮化镓产品涵盖高压和中压的BDS、感测、驱动和控制系列，应用领域广泛，包括AI服务器、车载充电器（OBC）、光伏系统、电机控制、充电器和适配器等。
英飞凌科技大中华区消费、计算与通讯业务高级首席工程师宋清亮
宋清亮补充说，英飞凌原本只拥有电流式驱动技术，而GaN Systems带来了电压型驱动技术，这种互补性使得用户可以根据需求选择最适合的解决方案，从而提高了产品的灵活性和适用性。收购前英飞凌主要提供分立式功率器件和集成式功率器件，而收购后产品种类从两种增加到五种，包括CoolGaNTMTransistor（单管）、CoolGaNTM BDS（双向开关）、CoolGaNTMSmart Sense（内部包含电流检测或其他检测功能的器件）、CoolGaNTMDrive（集成驱动器）和CoolGaNTMControl（系统级解决方案）。这些产品的推出不仅丰富了英飞凌的产品线，也为市场提供了更加全面的解决方案。CoolGaN? Transistor：程文涛解释，英飞凌的CoolGaN? Transistor主要针对高压和中压应用，目前所有氮化镓器件均为贴片形式，因为贴片封装的集成参数最小，能够充分发挥氮化镓材料的快速特性。CoolGaN? BDS：宋清亮详细介绍了CoolGaN? BDS的技术特点和应用场景。以高压GaN BDS 产品为例，这款双向开关为共漏极设计，两个源极伴有相应的门极，通过控制门极和源极之间的电压和电流实现BDS器件的控制，形成一个单颗的双边都能关断且开关速度特别快的理想开关。应用场景包括便携式设备、电池保护、高压大功率开关、电池管理、电动工具、储能、光伏和服务器等。CoolGaN? Smart Sense：这款产品通过自身沟槽进行电流检测。宋清亮指出，这种无损检测方法在氮化镓材料的应用中尤为重要，因为其开关速度非常快，外部电流检测会带来感生电动势，导致器件在开通和关断过程中容易出现误动作。内含电流检测能够保证安全和效率。CoolGaN? Drive：英飞凌为解决门极驱动的难题，将驱动器与氮化镓管子集成在一个封装中。这种设计不仅能够高效驱动器件，还能安全可靠地使用，简化了用户的使用过程。 在谈及产品电压划分时，程文涛指出，英飞凌将高压定义为600-700V的电压范围，而中压则在40V-200V之间。未来，不排除推出更高电压的氮化镓产品的可能性。针对氮化镓与碳化硅的重合问题，程文涛表示，目前已有研究机构在探讨这一话题。当高电压氮化镓器件商用化时，氮化镓与碳化硅之间可能会出现一些融合的场景。
从消费到汽车，氮化镓应用市场介绍
氮化镓在电力电子领域的高功率、低损耗与高频率特性，使其在充电器行业大放异彩。从2018年开始，氮化镓快充充电器进入市场，产品功率从最初的5W迅速发展到300W。尽管全球消费市场疲软，但每年20亿台消费电子设备的市场仍然为氮化镓企业带来30亿颗GaN芯片的机会。据Yole和Navitas预测，2020年全球消费电子（含手机）GaN功率市场规模为1259万美元，预计2026年将达到8.7亿美元，年复合增长率（CAGR）有望达到103%。 程文涛指出，尽管最初氮化镓定位于大功率器件，但后来发现小功率的消费类市场对氮化镓的接受程度也很高。英飞凌开发的CoolGaN?产品在消费电子市场表现出色，满足了市场对高效、紧凑充电器的需求。宋清亮补充道，氮化镓的快速开关速度和低损耗使其在高效充电器中具备明显优势，这也促使更多消费者和厂商选择氮化镓技术。 除了针对消费电子领域的PD快充外，氮化镓还广泛应用于数据中心和通信、电动汽车、光伏储能、电机驱动等市场。
电动汽车
氮化镓技术在电动汽车领域展现出巨大潜力，尤其是在提升充电效率和续航里程方面。程文涛表示，氮化镓功率器件能够显著提高电动汽车的充电效率，是电动汽车行业的重要推动力。 程文涛表示，英飞凌的中低压氮化镓产品可用于激光雷达。尽管进入该市场需要解决诸多技术难题，但其在马达驱动和其他电源领域的应用前景广阔。氮化镓在激光雷达中的应用不仅能够提高系统效率，还能减小体积，提高激光雷达的性能。 尽管英飞凌目前尚无氮化镓与碳化硅混合的方案，但客户应用中已有此类尝试。例如，有客户将氮化镓与碳化硅二极管并联使用，以解决氮化镓反向流压降高的问题。这种混合方案结合了两种材料的优势，提高了整体效率。程文涛指出，随着氮化镓技术的不断发展，未来可能会看到更多氮化镓与其他材料的混合应用，进一步提升新能源汽车的性能。 宋清亮补充道，尽管氮化镓在高频应用中优势明显，但在低频电机驱动中也逐渐显现出潜力，未来将有更多创新应用。英飞凌拥有100V及120V的中压氮化镓器件，这使其在一些高频电机和机器人应用中具有优势，能够提高系统效率并减小体积。宋清亮指出，虽然电机驱动的工作频率较低，氮化镓优势不明显，但在高频应用如机器人和高速电机中，氮化镓能提供更高的驱动频率和效率。
数据中心
在数据中心和通信领域，氮化镓技术推动了更高效的电源管理和更快速的数据传输，促进了5G和下一代数据中心的发展。程文涛介绍，英飞凌的CoolGaN?产品在这些领域表现出色，尤其是在提高电源转换效率和减少能量损耗方面。 AI服务器的功率需求从传统的3千瓦逐渐提升到5.5千瓦、8千瓦甚至更高，这对电源设计提出了更高要求。宋清亮指出，AI服务器对功率要求不断提升，英飞凌提供的综合解决方案包括硅、碳化硅和氮化镓。在AI服务器中，氮化镓适用于高频DC/DC转换器，碳化硅则适用于PFC拓扑结构。这种组合方案在性价比和性能上均具备优势，有助于满足未来数据中心和AI服务器对高效电源的需求。
光伏储能
根据Yole和Navitas预测，2026年全球光伏发电GaN功率市场规模将达到1.9亿美元，年复合增长率有望达到208%。据了解，EPC的GaN器件已经在光伏企业Solarnative微型光伏逆变器中大规模使用，蜂巢能源也采用GaN技术提升其户储逆变器的能效。英飞凌的CoolGaN? BDS产品未来将重点应用于光伏、储能和服务器领域，当市场对氮化镓的接受度提高时，这些领域将快速增长，尤其是服务器对能源的需求日益迫切。
电机驱动
虽然传统电机驱动频率较低，氮化镓优势不明显，但在机器人和高速电机中，氮化镓的高频优势显著。英飞凌的中压氮化镓产品（100V及120V）在这些应用中表现出色，能够提高系统效率并减小体积。随着机器人技术的发展，对高频电机驱动的需求增加，氮化镓在这一领域的应用将会逐渐扩大。程文涛补充道，未来英飞凌将继续探索氮化镓在电机驱动和机器人中的潜力，并与客户合作开发更多创新应用。
英飞凌CoolGaN?产品技术优势
程文涛回忆了他最初接触氮化镓技术的经历，并分享了氮化镓技术在过去18年的进步。他指出，市场对氮化镓材料保持观望态度的主要原因在于器件开发速度过快，导致在初期应用中出现失效现象。英飞凌作为主要的氮化镓供应商，致力于通过数据验证帮助市场理解和接受氮化镓的可靠性。 程文涛强调，英飞凌在收购GaN Systems之后，对氮化镓技术有了更全面的认知。英飞凌的CoolGaN?产品在产能和可靠性方面具有显著优势。虽然在功率和技术层面各家厂商的做法有所不同，但英飞凌在产品的代际演进上有自己的独特思路。 宋清亮指出，集成了驱动的氮化镓相比使用外驱的氮化镓具有多方面的优势。首先，操作更加简便。其次，高密度集成能够减小PCB的尺寸，提高集成度。第三，集成化有助于降低成本，从长远来看，集成方案的物料成本将比分立方案更具优势。因此，集成化是未来发展的重要方向，特别是在高密度和高功率应用中。 英飞凌的解决方案不仅关注技术上的突破，还注重用户体验的提升。通过提供完整的方案，包括传感器、信号处理和算法，英飞凌简化了客户的设计过程，提高了产品的整体性能。这种端到端的解决方案使得客户能够更快速地将产品推向市场，增强了竞争优势。
转型8英寸，氮化镓何时成本会下降？
英飞凌在氮化镓功率半导体的成本控制上有着明确的计划。程文涛表示，英飞凌在奥地利的菲拉赫工厂和马来西亚的居林工厂致力于扩大碳化硅和氮化镓功率半导体的产能。特别是居林工厂，计划从2025年第一季度开始推出200毫米（8英寸）的氮化镓产品，这是英飞凌向8英寸氮化镓制造转型的重要一步。 程文涛表示，英飞凌在8英寸制造上的技术优势主要体现在良品率和成本控制上。英飞凌在这一领域投入了大量资源，确保产品的高质量和低成本。此外，英飞凌还在碳化硅产品加工中采用了创新的冷切割技术，大幅降低了损耗，提高了产品的可靠性。 对于是否考虑未来采用12英寸晶圆来进一步降低成本的问题，程文涛指出，虽然氮化镓的12英寸晶圆制造在技术上是可行的，并没有无法跨越的障碍，但在现阶段，英飞凌更关注的是通过提高良率来实现成本控制。他强调：“碳化硅在技术难度上更大，因为要做成12英寸的晶圆非常困难且成本高昂，商业化难度大。相较之下，氮化镓则没有那么明显的技术障碍。” 当被问及未来成本大幅下降的时间节点时，程文涛解释道：“在第三代半导体中，以目前的技术节点来看，氮化镓和碳化硅的成本降低不会像硅器件那样明显，单纯扩大晶圆尺寸并不会大幅度压低成本。目前，最显著的成本降低技术在于提高生产良率，晶圆尺寸对成本下降有正面影响，但影响幅度不如硅那么大。” 总的来看，英飞凌在氮化镓技术上的不断创新，展示了其在宽禁带半导体领域的领先地位。通过不断优化产品性能和提升制造工艺，英飞凌不仅满足了市场对高效、可靠和低成本解决方案的需求，还推动了氮化镓技术在多个领域的广泛应用。
