20亿美元大生意，日本半导体大厂的思考
氮化镓（GaN）作为第三代半导体材料，和传统材料Si相比，具备禁带宽度大、击穿电压高、热导率大、开关频率高以及电子饱和速度快等优势，发展潜力巨大。
氮化镓迎来爆发式增长，应用场景逐渐由消费电子向更多新兴市场拓展
为此，自上世纪90年代起，一些全球领先的科研机构就开始着手氮化镓材料的研究，并致力于实现其产品的商业化。在2018年左右，氮化镓被引入消费电子快充领域，“秒充”、“闪充”等技术相继涌现，凭借大功率、小体积、充电快、散热快等明显优势，氮化镓产品迅速引爆市场。
目前，据不完全统计，市场上已有数十家主流电源厂家推出了数百款氮化镓快充产品，其功率已从过去的30W向65W、100W、200W、300W+突破，并已经成为小米、OPPO、vivo、荣耀、联想等各大知名品牌厂商的核心卖点之一。
罗姆半导体（上海）有限公司技术中心副总经理周劲表示：和SiC一样，GaN是一种用于功率器件时存在巨大潜力的材料，在禁带宽度、击穿场强、电子饱和速度等方面拥有明显的优势，特别是在高频率工作、高速开关的状态下，GaN能够做到比硅甚至碳化硅都有更好的表现，有望为消费电子快充、车载OBC、数据中心电源、分布式电源等各种电源的低功耗、小型化以及外围器件的小型化做出贡献。
氮化镓的主要技术特征及优势
资料来源：罗姆
随着技术的不断发展，近年来氮化镓材料在成熟度不断提高的同时，成本也在进一步下降。在消费电子领域快速普及的带动下，氮化镓作为一种创新型的半导体材料在数据中心、5G基站、汽车电子、新能源等更为广阔的市场上渗透率也在不断提高。
市场规模方面，根据Yole的数据，2021年氮化镓功率器件市场收入为1.26亿美元，预计2027年将达到20亿美元，2021-2027 年复合年增长率为59%。到目前为止，消费领域一直是 GaN市场增长的主要驱动力，在2021年市场规模为0.796亿美元，占比约为63%。不过，据Yole预测，随着其他应用领域渗透率的提高，预计消费领域的占比到 2027 年将逐渐下降到48%。
资料来源：Yole
而从竞争格局来看，根据TrendForce的数据，全球GaN功率半导体主要玩家有PI 、Navitas、英诺赛科、EPC、GaN Systems等，其中PI 、Navitas、英诺赛科3家公司市占率已达53%；在出货量上，目前英诺赛科氮化镓芯片出货已突破1.7亿颗，其中 2023年Q1出货量突破了5000万颗，销售额达1.5亿，是去年同期的4倍。而纳微半导体出货也已经超7500万颗，其产品已被安克、倍思、百思买、联想、小米、绿联、vivo等知名品牌的众多大功率快充产品采用。
在谈及当前氮化镓行业的发展现状时，周劲指出：快充是氮化镓快速产业化的第一突破口和当前主流厂商的主要应用场景。在2020年之后，随着5G和PD适配器的普及，市场对小体积、高性价比的氮化镓需求进一步增加，在巨大的机遇面前老牌的半导体公司也都开始在氮化镓领域发力。今后随着氮化镓方案越来越成熟以及数据中心、基站电源、电动汽车以及工业系统应用的增加，预计未来5年左右氮化镓仍然会保持比较高的增速。
虽然氮化镓的市场前景一片大好，但作为一种新型材料，与Si MOSFET相比，氮化镓的使用通常会面临两个问题：第一个是驱动电压（Vth）比较低，通常是1.5V~1.8V左右，有噪音的时候会误开启，不一定坏，但是会导致损耗比较高；第二个就是栅极耐压比较低，通常氮化镓器件的标定是5V的驱动电压，4.5V以下可以导通但不彻底，到了6V以上则面临栅极损坏的风险。因此，在这种情况下，氮化镓的栅极处理起来很难，必须与专门的驱动电路或者驱动器配合使用，但是这样外置元器件数量就会增多，而且还需要考虑寄生分量的影响。
使用GaN器件时面临的问题
资料来源：罗姆
罗姆Power Stage IC成功解决业内难题，可减少器件约99%的体积/降低约55%的功耗
针对上述痛点，罗姆结合所擅长的功率电子和模拟两种核心技术优势，开发出集功率半导体——GaN HEMT和模拟半导体——栅极驱动器于一体的Power Stage IC。该产品的问世使得被称为“下一代功率半导体”的GaN器件不仅轻轻松松即可实现安装，而且由于其设计适用于现有的主要控制器，可以用来取代传统的Si MOSFET功率开关，以助于更加充分地发挥氮化镓器件的性能。
罗姆Power Stage IC成功解决业内难题
资料来源：罗姆
周劲指出：罗姆此次推出的集650V GaN HEMT和栅极驱动用驱动器等于一体的Power Stage IC‘BM3G0xxMUV-LB’系列新品，按照导通电阻的不同，又可以分为BM3G015MUV-LB（150毫欧）、BM3G007MUV-LB（70毫欧）两款产品。新产品支持更宽的驱动电压范围（2.5V～30V），而且传输延迟短(Typ.11ns~15ns)、启动时间快(Typ.15us)，有助于减少服务器和AC适配器等的损耗和体积。此外，公司还备有三款评估板，一款是BM3G007MUV-EVK-002，用来评估芯片的整体方案性能。另外两款BM3G007MUV-EVK-003和BM3G015MUV-EVK-003，可移植到客户现有方案进行测试。
BM3G0xxMUV-LB系列产品的主要技术特征
资料来源：罗姆
具体来看，BM3G0xxMUV-LB系列产品主要有三大亮点：（1）可进一步降低功耗。在导通损耗影响不大的情况下，该系列产品相比Si MOSFET损耗可减少55%。相比普通产品，仍然可以做到减少约20%的程度；（2）应用产品可进一步小型化。元器件数量上，普通产品是9个相关元器件，而罗姆的新产品使得驱动方式进一步简化，外置Power Stage相关元器件只需1个，因此可让器件体积减少约99%；（3）支持各种一次侧电源电路。由于该芯片驱动的范围宽、启动及延迟时间短，整个环路等的设计会比较容易，可以应用在AC适配器为代表的消费电子、服务器为代表的工业设备等各种各样的AC-DC电路中。
罗姆新品可减少器件约99%的体积/降低约55%的功耗
资料来源：罗姆
除了新发布的BM3G0xxMUV-LB系列产品外，在氮化镓领域，其实罗姆已布局多时。
据周劲介绍，罗姆的氮化镓产品以EcoGaN?命名。早在2006年，公司就已经开始了氮化镓相关产品的研发。经过不断努力，在2021年，公司推出了150V耐压的GaN HEMT产品，成功地将栅极耐压 (额定栅极-源极电压)提高到了业界领先的8V，成为基站、数据中心、物联网通信设备等工业设备的电源电路的理想选择；在2023年4月，公司又量产了第一代650V耐压的GaN HEMT*1（GNP1070TC-Z、GNP1150TCA-Z）系列产品，与传统的GaN器件相比，它大幅降低了开关损耗，进一步提高电源系统的效率，并且让产品的可靠性也得到了更大程度的提高，非常适用于在服务器和AC适配器等各种电源系统中使用。
展望未来，周劲表示：罗姆的Power Stage IC的下一代机型，准偕振AC-DC+GaN的器件预计在2024年Q1量产，而半桥+GaN的器件预计在2024年Q2量产。今后，罗姆不仅注重提高GaN HEMT单体的性能，还将不断改进驱动技术和控制技术，让GaN器件在各种应用中进一步普及。当然，除了元器件的开发外，未来公司还将致力于与业内相关企业积极建立战略合作伙伴关系并推动联合开发，通过助力应用产品的效率提升和小型化，持续为解决社会问题贡献力量。
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