行业动态

助力碳中和,GaN加深绿色能源领域渗透

文字:[大][中][小] 手机页面二维码 2024-3-18     浏览次数:    

自2018年10月25日,Anker发布全球首款GaN充电器,将GaN正式引入消费电子领域以来,短短几年间,各大GaN厂商纷纷涉足相关产品。当前,GaN消费电子产品市场已是一片红海,竞争日趋激烈。

面对GaN在消费电子领域应用现状,相关企业开始寻求新的增量市场,GaN技术应用由此逐步向新能源汽车、光伏、数据中心等其他应用场景延伸。GaN的特殊价值,正在消费电子之外的多个领域持续释放。

GaN正在加速“上车”

在汽车电动化与智能化趋势下,汽车搭载的电子电力系统越来越多。而与传统硅材料相比,基于GaN材料制备的功率器件拥有更高的功率输出密度和更高的能量转换效率,并可以使系统小型化、轻量化,有效降低电力电子零部件体积和重量,GaN由此在新能源汽车领域觅得发展良机。

随着新能源汽车市场爆发,GaN已率先在车载激光雷达产品中落地应用,并在车载充电器(OBC)、DC/DC转换器等部件中有一定应用潜力,未来可期。风口下,整车厂商、零部件供应商、GaN相关厂商等纷纷尝试将GaN产品引入新能源汽车领域。

优越的开关性能使得GaN更适合用于车载激光雷达,伴随着激光雷达在量产新能源汽车中的应用力度持续加大,GaN器件产品成为“香饽饽”。2023年,英诺赛科低压车规级GaN产品已在头部车企的车载激光雷达中得到应用,并实现量产。英诺赛科还在2023年底推出100V车规级GaN器件新品,目前已通过AEC-Q101认证,该产品同样适用于自动驾驶及其他先进驾驶辅助系统应用中的车规级激光雷达。

围绕新能源汽车车载充电器(OBC),GaN Systems在应用电力电子会议 (APEC 2023) 上发表了11kW/800V氮化镓车载充电器参考设计,与采用SiC产品相比,功率密度提高36%,整体物料清单 (BOM) 成本至少降低15%。此外,GaNPower也已开始布局GaN在OBC上的应用研发,并且和汽车电子公司加拿大麦格纳集团签署了战略合作协议。

高压汽车应用GaN解决方案供应商VisIC公司则将目光瞄准了电动汽车逆变器,在2021年12月已开始和汽车动力总成技术公司hofer powertrain共同开发用于800V汽车应用的基于GaN的逆变器,而在2023年9月,VisIC又开始与化合物半导体材料供应商IQE合作开发用于电动汽车逆变器的高可靠性D型GaN功率产品。

值得一提的是,博世正在开发一种在欧洲生产的、用于汽车的1200V氮化镓技术。在新能源汽车领域,GaN器件目前主要占据400V以下应用,在中低端汽车市场发展空间较大。同时,GaN器件正在往高压应用上推进研发,除博世研发车用1200V氮化镓技术外,GaNPower已向业界展示过首款1200V单芯片(E型GaN功率器件)。

整体来看,氮化镓在新能源汽车领域的发展潜力不容小觑,正在加速置身于应用大舞台的聚光灯下。

GaN在光伏领域持续渗透

在光伏领域,GaN光伏逆变器可将功率密度提高5倍以上,应用方面的突破性进展使得GaN功率器件找到了又一个可以释放价值的市场。

早在2022年11月,美国光伏企业Solarnative宣布,旗下微型光伏逆变器Power Stick搭载了由EPC提供的GaN器件,实现了业内最佳的功率效益——将功率密度提升了5倍。

GaN器件应用对于光伏逆变器性能提升是显著的,吸引了不少厂商的目光。聚焦将GaN引入光伏逆变器这一主题,相关厂商开启了一系列动作。

产品方面,英诺赛科在2023年7月开始将GaN应用于光伏领域,以期进一步缩小模块体积,提高系统效率。而在今年2月底的APEC 2024展会上,英诺赛科展出2KW微逆方案,搭配使用了150V GaN和650V GaN。相比传统Si方案,2KW微逆体积减小约20%,功率器件损耗减小35%,不仅大幅提升系统性能,还能降低成本。

合作方面,2023年12月,EET公司选用了EPC的增强型氮化镓(eGaN?)功率晶体管用于其新型SolMate?绿色太阳能阳台产品。英飞凌则在今年2月与Worksport达成合作,将在后者的便携式发电站的转换器中使用GaN功率器件。

通过导入GaN器件,EET和Worksport公司相关产品在效率、开关频率等方面得到了显著提升,同时大大降低了体积重量和系统成本。

越来越多的应用案例表明,GaN有望成为光伏行业的“主力军”之一。

GaN在数据中心领域应用进展

服务器电源及其冷却系统对能源消耗,占据了数据中心较大一部分运营成本,而GaN能够提供卓越的性能和效率,使得数据中心减少对冷却系统的需求,更加节能,并最终使数据中心更具成本效益,因而数据中心工程师越来越倾向于使用搭载GaN器件的电源模块。

GaN在数据中心电源模块的应用方面,英诺赛科推出了搭载100V SolidGaN的1kW DCDC电源模块和搭载650V GaN的2kW PSU方案,契合当前AI、云计算对数据中心供电高效高功率密度的需求。

而纳微半导体基于其最新高功率氮化镓芯片GaNSafe?打造的CRPS185?3200W钛金Plus效率服务器电源,以98W/inch3的超高功率密度和96.52%的极高峰值效率,成为数据中心服务器电源产品新标杆。

此外,CGD正在与群光电能科技和英国剑桥大学技术服务部 (CUTS) 共同设计和开发使用GaN的先进、高效、高功率密度数据中心电源产品。

GaN本身的开关损耗小,非常适合应用于数据中心的电源模块,并已落地相关案例,未来仍可能向电源之外的其他部件延伸应用,在数据中心领域的前景可期。

总结

消费电子是GaN器件已经大规模出货的市场,搭载GaN器件的PD充电器有望成为手机、笔记本充电器的主流产品,未来,GaN大概率将会渗透到更多类型的消费电子产品当中。

新能源汽车也是GaN应用潜力较大的市场之一,GaN可以用到新能源汽车的牵引逆变器、电机控制与驱动、OBC、DC/DC转换器、激光雷达上的电源模块等场景中,目前已有相关车规级GaN产品得到实际应用,将朝着高压、高功率密度、高可靠性等方向持续进行技术优化升级。

在光伏领域,目前已经有部分微型逆变器产品导入了GaN器件,GaN器件的价值体现在促成光伏逆变器的小型化与轻量化、大幅降低成本等多个方面,有望推动光伏逆变器向家用等场景不断延伸。

随着数据中心的算力和功率不断攀升,能耗也越来越大,业内致力于在同样的体积下不断提升功率密度,而GaN在提升功率密度方面有优势,同时,保证了在各种负载状态的高效率,因此,越来越多的数据中心厂商开始导入采用GaN器件的电源模块。此外,GaN也可用于数据中心的高速通信模块,提供更快速、稳定和可靠的数据传输。GaN在数据中心领域的应用潜力充分释放后,GaN厂商有望获得又一增量市场。

目前看来,GaN应用场景大多集中在650V以下的中低压功率器件范围,随着技术水平持续提升以及成本不断优化,GaN有能力冲击高压范围。

根据TrendForce集邦咨询《2023全球GaN功率半导体市场分析报告》显示,全球GaN功率元件市场规模将从2022年的1.8亿美金成长到2026年的13.3亿美金,复合增长率高达65%。预计至2025年左右,GaN将小批量地渗透到低功率OBC和DC-DC中,再远到2030年,OEM或考虑将该技术引入牵引逆变器。

来源:集邦化合物半导体

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