GaN
功率暨化合物半導體晶圓產能將於2023年突破千萬片大關
國際半導體產業協會(SEMI)近日發布功率暨化合物半導體晶圓廠至2024年展望報告(Power & Compound Fab Report to 2024)中指出,全球疫情蔓延下,半導體供應鏈一度受影響,疫後汽車電子產品不斷提升的需求即將復甦。全球功率暨化合物半導體元件晶圓廠產能2023年可望首次攀至千萬片晶圓大關,達每月1,024萬片約當8吋晶圓(下同),並於2024年持續增長至1,060萬片。
SEMI全球行銷長暨台灣區總裁曹世綸表示,碳化矽(SiC)與氮化鎵(GaN)這類寬能隙材料,近一年以來在動力總成(Powertrain)、電動車車載充電器(EV OBC)、光達(LiDAR)、5G以及5G基地台等應用領域的普及,有很大進展。可預見的是,未來在汽車電子產品、再生能源、國防與航太等應用領域,其重要性不言而喻。SEMI看好全球功率暨化合物半導體元件晶圓廠產能,在未來將持續創下紀錄性新高。
預計至2023年,中國將佔全球產能最大宗,達33%,其次是日本的17%,歐洲和中東地區16%,以及台灣11%。進入2024年產業將持續走強,月產能再增36萬片,各地區佔比則幾乎無變化。
根據SEMI功率暨化合物半導體晶圓廠至2024年展望報告,2021年到2024年期間63家公司月產將增加超過200萬片。英飛凌(Infineon)、華虹半導體、意法半導體(ST)和士蘭微電子將扮演這波漲勢的領頭羊,共增加達70萬片。
全球功率暨化合物半導體元件晶圓廠產業裝機產能2019年同比增長5%,2020年增長3%,2021年則有7%的顯著成長。2022年及2023年將持續攀升,各有6%及5%同比年增率。
晶圓廠產業也正積極增建生產設施,預計2021年到2024年將有47個實現概率較高的設施和生產線(研發廠、高產能廠,含外延晶圓)上線。
搜索低成本/高效益解方 MicroLED技術瓶頸打通關
台灣在LED與LCD產業同時占有舉足輕重的地位,然而技術與應用的成熟讓兩者在近年的市場發展同時遭逢困境,MicroLED顯示器由形成個別畫素的微型LED陣列組成,使用氮化鎵(GaN)LED技術,具高亮度、高動態範圍、廣色域、快速更新率、廣視角和低功耗等特點,也可發展折疊式面板,被看好是下世代顯示器明日之星,連Apple都積極投入技術開發,因而引發各界矚目。
MicroLED被看好成為兩個成熟且高度競爭產業的救贖,台灣的LCD與LED產業同時擁有研發能量與完整產業鏈。過去幾年,晶粒微小化、小間距排列與巨量轉移等技術挑戰持續有進展,2020年MicroLED從特殊商用產品踏出商品化的關鍵腳步,未來幾年持續為大量消費性應用發展暖身,接下來的三~五年將是台灣產業是否能搶占灘頭堡的關鍵。
巨量轉移流派眾多各自登山
傳統的LED技術與應用已進入成熟期,將晶粒微小化成MiniLED或MicroLED開創產品全新的應用,清大材料科學工程系教授陳學仕(圖1)表示,一般而言MicroLED的定義在於晶粒尺寸小於50μm或不使用基板,製程上則與傳統LED幾乎一致,難度在於晶粒微小化之後發光效率如何維持,巨量轉移的便利性與修復技術,模組化的良率與成本如何降低等。
MicroLED轉移近年來一直是技術發展的重點之一,業界投入許多資源,陳學仕指出,目前巨量轉移技術還是有多個流派,如壓印式轉移、磁力轉移、靜電力轉移、滾印轉移等多種技術,屬於百家爭鳴的狀況,每個技術原則上都可行,卻也都存在明顯的缺陷,其中關鍵的技術良率與成本還是未臻理想,等於個個有機會,但人人沒把握。
另外,檢測技術的發展也差不多,陳學仕舉例,中國廈門大學與台灣交大的研究團隊合力研發了一種攝影機型顯微成像系統進行MicroLED測試使用,該系統結合了電腦、電流、數位攝影機、電流供應棒與顯微鏡搭配支援軟體,能夠捕捉並分析顯微鏡影像,測量MicroLED晶片的亮度。美國新創公司Tesoro提出製程檢測方案,結合了非接觸型EL測試與波束定位(BAR)的轉移方法,能夠只將好的MicroLED晶片高速轉移到目標基板上。
日本設備廠Toray則推出MicroLED檢修解決方案,以光線自動檢測工具進行零接觸檢測,檢測完以後使用其雷射修剪工具,根據檢測結果剔除MicroLED晶片不良品。整體而言,陳學仕認為,MicroLED的檢測技術發展不會出現跳躍式的技術改善,而是線性的進步,所以預計還需要幾年時間發展。
量子點協助跨越巨量轉移瓶頸
在LED晶粒長晶完成後通常要將晶粒從晶圓基板取下,再將LED轉移到電路板或TFT基板上,既然在轉移的過程中出現技術瓶頸,目前也有廠商提出不轉移的做法,直接將晶圓片上長出的晶粒做成LED面板,並使用螢光粉轉換出其他顏色,或者減少轉移次數,即是只移轉同樣顏色的晶粒,比如移轉藍色的晶粒再透過轉換螢光粉轉換出紅色與綠色,如此可以減少兩次移轉成本並達成良率提升的綜效。
也有一些作法是透過量子點(Quantum Dots, QDs)以類似彩色濾光片的方式,進行LED晶粒的顏色轉換。陳學仕說明,量子點是一種奈米晶體,並可以用尺寸來控制能隙,其顏色是決定於能隙,所以只要控制尺寸的均勻性就可以控制色純度,其中控制尺寸是材料合成中最重要的一個階段,典型的量子點結構如圖2所示。
量子點可以協助各種顯示技術提升色彩展現能力,近年LCD TV加上量子點就變成QLED電視,OLED電視也透過量子點變成QD-OLED電視,都可以有效提升色彩展現能力,尤其在大尺寸面板上,色彩的豐富度直接影響顯示的細膩程度。而MiniLED或MicroLED顯示器,則是透過量子點協助色轉換,不需要使用RGB三色的晶粒進行多次巨量轉移,可以有效降低成本。陳學仕認為,未來各種技術顯示技術,量子點的利用是產品成敗的關鍵之一。
巨量修復又快又好才可勝出
巨量修復(Mass Repairment)是MicroLED另一個關鍵的技術,MicroLED貼裝後,回焊(Reflow)以前階段的不良重工,視覺系統檢驗出回焊以前的不良晶粒,精密Pick & Place可以移除個別有問題的晶粒,移除不良晶粒後,在PAD上點膠小量錫膏,可調整晶粒單位的Pick & Place將良品晶粒貼裝在正確位置。
由於MicroLED晶粒體積小,如何在挑出缺陷晶粒之後有效維修並替換,也成了一項艱巨任務。MicroLED顯示器廠商目前使用的修復方案包括紫外線照射維修技術、雷射光融斷維修技術、選擇性拾取維修技術、選擇性雷射光維修技術及備援電路設計方案等。另外,巨量修復可以說是巨量轉移的升級版,不只是能夠大面積地撿取LED晶粒,更要做到大面積指定位置撿取LED晶粒,並替換大量好的晶粒技術。
Power Integrations InnoSwitch IC銷售突破10億
Power Integrations日前宣布InnoSwitch系列IC出貨量正式突破 10 億大關。2014 年推出的InnoSwitch系列率先採用 Power Integrations 創新的 FluxLink 通訊技術,毋需光耦合器即可提供高度精確的二次側控制,進而實現出色的能源效率、可靠性和耐用性。
InnoSwitchIC(包括 2017 年推出的 InnoSwitch3 系列) 支援多種電源供應器應用,包括 USB PD 充電器、消費性電子產品、個人電腦、顯示器、伺服器、電器、工業裝置和汽車。InnoSwitch 產品陣容經過不斷擴充,目前包含下列多款衍伸產品:InnoSwitch3-CP,適用於 USB PD 和其他恆定功率應用;InnoSwitch3-EP,適用於主要電器和工業電源供應器;InnoSwitch3-CE,適用於 IoT 及高電流的充電器和轉換器應用;InnoSwitch3-MX,適用於多重輸出定電壓和定電流應用...
意法推首款驅動/GaN整合式產品 快速充電器尺寸更小巧
意法半導體(ST)推出首款嵌入矽基半橋驅動晶片和一對氮化鎵(GaN)電晶體的MasterGaN產品平台。該整合化解決方案將有助於加速最高400W之下一代輕量節能消費性電子、工業充電器,以及電源轉接器的開發速度。
GaN技術使電力裝置能夠處理更大功率,同時裝置本身將變得更小、更輕,而且更節能。這些改良將會改變智慧型手機超快充電器和無線充電器、PC和遊戲機的USB-PD高功率配置轉接器,以及太陽能儲電系統、不斷電供應系統或高階OLED電視機,還有雲端伺服器等工業應用。
在目前的GaN市場上,功率電晶體和驅動IC通常是離散元件,這使設計人員必須學習兩者間的協同作業,以達到最佳性能。意法半導體的MasterGaN繞過了這一挑戰,縮短了產品上市時間,並獲得預期的性能,同時使封裝變得更小、更簡單、電路元件更少,而且系統變得可靠性更高。透過GaN技術和意法半導體整合式產品的優勢,採用新產品的充電器和轉接器將相較普通矽基解決方案尺寸縮減80%,重量亦降低了70%。
意法半導體執行副總裁、類比產品分部總經理Matteo Lo Presti表示,ST獨有的MasterGaN產品平台透過我們經過市場檢驗的專業知識和設計能力,再整合高壓智慧功率BCD製程與GaN技術而成,能夠加速開發兼具節省空間、高效能的產品。
Power Integrations推GaN功率級LED驅動器
Power Integrations日前宣布推出適用於智慧型照明應用之LYTSwitch-6系列的安全絕緣LED驅動器的新成員–LYT6078C。這款新型LYTSwitch-6IC採用Power Integrations的PowiGaN氮化鎵(GaN)技術來提供效率與效能優勢,該公司還發布了最新設計範例報告(DER-920)加以佐證。
基於PowiGaN的LYT6078C IC納入了一個750V功率切換開關,可提供高達90W的無閃爍輸出,此系列的其他成員則可提供高達110W的無閃爍輸出。在PFCStage與LYTSwitch-6LED驅動器雙雙加持之下,系統效率超過90%。採用微型InSOP-24表面接合封裝的LYTSwitch-6IC具備先進的過熱保護系統,能在發生異常狀況時透過降低輸出功率來限制裝置溫度,同時維持光輸出。LYTSwitch-6IC還整合了Power Integrations的FluxLink通訊技術,毋需光耦合器即可進行二次側控制,並在線路、負載、溫度和製造過程中提供優於±3%的定電流和定電壓(CC/CV)調節。所有LYTSwitch-6 IC都具有快速暫態反應,並輕鬆支援脈衝寬度調變(PWM)調光。
LYT6078C的效能優勢在全新設計報告(DER-920)中展露無遺,這份報告還詳細介紹了可調光LED鎮流器所採用的雙級升壓式功率因數修正(PFC)和隔離返馳式架構(Topology)。此裝置採用LYTSwitch-6LYT6078C IC和Power Integrations的HiperPFS-4PFS7624CPFC控制器,當在220VAC至277VAC的輸入電壓範圍內於1350mA下驅動48VLED燈串時,峰值效率超過91%。在待機模式下,系統功耗低於80mW,可讓工程師在設計照明控制(尤其是光線暗淡至關閉電路)時擁有絕佳靈活性。
LED照明產品行銷總監Hubie Notohamiprodjo表示,Power Integrations新推出之基於PowiGaN的LYTSwitch-6 IC為照明製造商節省了智慧型照明電源供應器的空間和系統成本。本公司在最新設計報告中的主要設計目標是實現高功率因數(PF)、低諧波含量、高效率以及輸出電流為0至100%的3合1調光。藉由將全新LYT6078C驅動IC與HiperPFS-4PFC控制器整合在一起,輕鬆化解所有設計挑戰。
建置成本/節能利用最佳化 資料中心功秏/效率錙銖必較
然而,最終用戶要著眼大局,更關心整個系統或製程在遵守環境義務的同時,能夠盈利的效率。他們明白,倘若所有生命週期成本都計入其中,在功率轉換過程的一個小要素,即便非常專注於降低其損耗並不一定會導致明顯整體成本節省或環境效益。
另一層面,將更多電源轉換裝置整合到更小體積(增大其「功率密度」),可以更高效地利用工廠或資料中心的占地面積,並利用現有資源和成本實現更多產出。
本文將研究相較增大功率密度和提高系統效率,提高功率密度百分點在節能、購置/處置成本和機櫃/占地面積利用率等層面的實際成本。
製造商藉提高效率 降低營運壓力
在功率電子的世界,效率是一個容易概念化的術語,100%效率為好,而0%為壞。但是,讀者必須仔細設置自身的參考基準。資料中心整體電氣效率接近0%,從電網提取的所有功率幾乎都轉換為伺服器葉片、電源和冷卻系統中電子元件中的熱量。然後,將電力的美金價值轉換為美金收入可能是1,000%的效率,大多數行業都是如此,這是所有人的期望,否則,如果讀者想節省成本和挽救地球,同時也要賺錢,真正問題是如何最小化總功耗,同時以最大限度提高生產力。
資料中心管理者完全知曉這些,他們需要面對日常壓力來提高資料處理能力和速度,同時保持盡可能低電費,並從資本投資中獲得回報。他們別無選擇,只能以增加數千瓦的功率耗散來添加伺服器,但可以演算容量增大帶來的附加價值抵消額外能源和資本成本。在工業領域,如果需要另一台100kW馬達,並用於生產更多可銷售產出,馬達驅動及其電源則是不可迴避之開銷。在所有產業中,電源是一種必須的罪惡之物,本身不會增加商業價值,其耗費的營運成本和功率都被視為降低了利潤。因此,焦點自然而然地會將注意力轉向功率電子製造商,他們需要承擔透過提高電氣效率來減少損耗的壓力。
拓撲架構重新設計以實現零損耗
功率轉換效率似乎很容易定義,人們都可以引用公式「輸出功率除輸入功率之百分比」,兩者之間差值為功率轉換器消散的熱量。問題是,如果不涉及功率水準,以及它們如何隨操作和環境條件而變化,而將效率作為轉換器比較參數,此時效率沒有任何意義。往往這會導致一些「創造性」規格,挑選出其中亮點,以展現裝置最好的部分。很少有轉換器在接近其最大額定功率時操作,因此效率通常設定為在最大額定負載50~75%左右達到峰值,並且某些曲線必須在零負載時降至零效率。在輕負載時轉換器設計可能存在高不確定性,因此在待機條件下電源功耗可能會比其他電源多一倍(圖1)。負載為5%時,A線表示轉換器功耗是B線的三倍以上,因此輕負載功耗對總能量消耗有顯著影響。
圖1 輕載時效率在同類功率轉換器之間差異很大
幸運的是,業內有一些標準可以用來規定效率曲線形狀,例如具有不同級別的「80 PLUS計畫」中,「鈦」級為最高,要求在50%負載時具備最低94%效率,在10%負載時最低90%效率,這些是用於115V系統的效率,對於230V系統,上述參數分別是96%和90%(圖2)。
圖2 80-PLUS計畫的效率目標—115V系統
這些限制很難實現。在2004年構想80 PLUS認證計畫時,在50%負載下實現最低水準80%效率已經足夠困難,但是要達到94%的鈦級則意謂著需要減少電源四分之三的損耗。效率僅提高14%,而額定功率為千瓦級的電源必須將損耗從250W降低到64W,這不能透過對現有設計進行微調來實現,因此必須對轉換器拓撲架構進行徹底重新考量。不再使用傳統二極體,轉而採用同步驅動MOSFET,相移全橋和LLC諧振拓撲架構等技術都被用來限制開關轉換期間的損耗,並且出現諸如SiC和GaN等全新半導體技術,以實現更快的開關速度但不會造成功耗損失。即便是不在市電的低階橋式整流器也已經演變成MOSFET的混合布置,這構成功率因數校正電路必要的部分。這些都需要一定成本,也有採用新技術帶來的風險。即便如此,從供需角度看,客戶和電源製造商要求在螺旋式上升,以實現更高效率,達到99%甚至更高。
追求高效率而降損耗所費不貲
隨著功率轉換效率接近100%,提高效率的難度成倍增加。從97%到98%意謂著損耗減少了三分之一,從98%到99%意謂著將損耗減少一半。在任何轉換器設計中,將損耗降低50%可能會要求設計從頭重新開始,使用更複雜的技術和更昂貴的元件是唯一途徑,而這通常是以犧牲尺寸為代價。1kW電源效率為98%時,僅消耗20.4W功率(圖3)。而要花費多少努力才能使損耗達到10.1W,使效率提高到99%?考量一下1kW的負載,將效率提高1%僅僅可以節省10.1W,但這需要多少設計工作量?
圖3 1kW功率轉換器中的損耗與效率
當然,所有節能都值得珍惜,但是更需要放寬眼界。在美國,工業用電平均價格約為每千瓦小時7美分。如果以1kW電源壽命為例,在100%正常執行時間下可操作5年或大約44,000小時,減少10.1W損耗可以節省大約31美元,而負載功率的成本超過3,100美元。更換電源會導致擁有成本、購買和鑑定費用、安裝成本以及通常與數百個元件、包裝和運輸相關的碳足跡。然後是舊裝置的處置成本,以及新尖端產品的功能風險。假設上一代電源可靠性仍然足夠,那麼與保留舊產品相較,很難看出這些相關成本與31美元的節省相比如何抵消。單純為了效率參數而追求更高效率可能是一項成本高昂的事情。
裝置縮小尺寸提高功率密度
為了降低內部溫度並提高演算的壽命/可靠性,也許有必要提高功率轉換器效率,但這僅在外殼和冷卻保持不變情況下才有效。有一個古老的經驗法則,即電子元件溫度每升高10℃,其壽命就會縮短兩倍。而依據可靠性手冊,在溫度升高10℃時,半導體元件失效率將增加約25%,電容器失效率將增加約50%。但是現代電子產品極其可靠且經久耐用,因此這些都是相對於非常長使用壽命和高可靠性而言的百分比變化。例如,從歷史上講,功率電子裝置的冷卻設置目標,是將資料中心入口處的理想溫度保持在21℃左右,但是英特爾(Intel)和其他公司的研究表明,該溫度可以適當提高,但不會顯著影響系統可靠性。APC的一項報告引用了美國供熱和空調工程師協會(ASHRAE)的預測,當入口溫度從20℃升高至32℃(68℉至90℉)時,總體裝置故障率僅增加1.5倍(圖4)。據稱,資料中心額定操作溫度每升高1℉,就可以將相關冷卻成本降低約4%,因此減小主機殼尺寸,允許包括電源在內的裝置在更高溫度下操作,可以真正節省成本,同時還可以釋放機架空間。
圖4 裝置可靠性與入口溫度關係
使較小電源在更高溫度下操作的另一推動因素,是採用以SiC或GaN材料製成的寬能隙半導體。這些元件操作溫度額定值比矽元件高很多,特別是對於SiC,允許裸晶在高達數百℃溫度下操作。
功率轉換各方紛尋最佳解
功率轉換裝置供應商可能會以特定條件下的效率規格來互相競爭,但對最終用戶而言,重要的是其製程的生產率和盈利能力。當然,籍由減少能源消耗來節省成本是一件好事情,但是透過增加機櫃中或機架上裝置功率密度,並提高每單位體積的生產率而獲得成本節省可能更具吸引力。資料中心和製造設施中的地板空間具有「美元密度」,這是為貢獻一定收入所必須達到的貨幣價值,以千美元/平方英尺為度量,因此縮小電子裝置尺寸以提供更多生產空間是實際收益。如果這意謂著在生產需要擴展時提供完整的額外機櫃,則實現的短期和長期資金節省更多。
仰仗相關的功率轉換器可實現電子裝置更高功率密度,這些促使系統架構師將功率密度視為越來越重要的指標。但是,與端到端產品電氣效率不同,整個系統的功率密度不易比較,需要包括哪些內容?在典型工業機櫃中,可能有開關裝置、連接器、安裝在主機殼底座的EMI濾波器、生成中間電壓的AC-DC轉換器、大電流匯流排、負載本地處的DC-DC轉換器、風扇及其自身電源和安裝硬體,有時甚至可能包括空調裝置。在控制機櫃中,負載可能是獨立式,也可能是馬達,在這種狀況下,功率轉換裝置體積占整個空間很大一部分,任何空間尺寸的節省都意謂著可以容納更多控制電子裝置。但是,這樣回報會減少,因為添加額外裝置總會需要更多功率。控制櫃還可能受限於使用標準化硬體,如用於裝置安裝的DIN導軌,供應商推出了越來越窄小的產品,而輸入/輸出連接器尺寸的實際應用通常定義了其最小值。現在30W AC-DC寬度已減小到21mm左右,而480W裝置寬度大約為48mm(寬)×124mm(高)。機櫃中如果包括冷卻系統,其中可能包括一系列風扇,由於入口溫度不能確定,因此功率轉換器的額定溫度通常設為在高溫氣流下操作,且沒有主機殼散熱設置。這導致功率轉換密度值相對較低,每立方英寸可能為10到20W。
POL實現資料中心電源高功率轉換
在資料中心中,功率分配系統體系架構會嚴重影響功率密度。最新趨勢是透過每個伺服器刀鋒上的負載點(POL)轉換器提供48V背板匯流排,將電壓降低至IC電平,通常低於1V。分開來看,POL可以具有令人吃驚的功率密度,每立方英寸超過1kW,但需要大量散熱片或冷卻氣流才能正常操作。48V匯流排可以來自機架AC-DC轉換器,其功率密度可能僅為每立方英寸20W左右。或者可以從外部中央電源提供380V DC,並在機架中轉換為48V。具備直流電源後,不再有交流整流和功率因數校正電路損耗,該轉換器可以達到非常高的效率,並且每立方英寸功率密度再次超過1kW(需要足夠冷卻能力)。另一個優勢是,與每個機架中的AC-DC不同,能量可以集中儲存並用於電源損耗或電力不足,而AC-DC具有很大的內部儲能電容器,占用了寶貴空間。
與工業製造中機櫃不同,資料中心負載實際是刀鋒伺服器本身,因此每個機架內部消耗功率均超過10kW。倘若要求嚴格控制的高速氣流進行主動冷卻,並保持較低入口溫度,這對於功率轉換器來說是個好消息,而由於其效率很高,僅消耗了刀鋒伺服器一部分的功率,允許使用具備最少量外部散熱(如果需要)的POL和匯流排轉換器,進而保持較高的總功率密度。實際上,使刀鋒伺服器產生的熱量遠離功率轉換器成為一個主要的考量因素。
寬能隙技術提高功率密度
功率轉換器設計人員可以透過降低開關速度來提高效率,但這會導致必須採用過大被動元件,進而使機殼尺寸變大。複雜諧振轉換器拓撲允許更高運作頻率,實現低損耗,而SiC和GaN半導體元件的到來又結合了高速度和低損耗,再次改變了遊戲規則。它們在較高溫度下可靠的操作能力可以使轉換器封裝尺寸進一步減小,進而實現更高功率密度。
追逐功率轉換效率百分點是一場收益越來越小的遊戲,除非這種改進能夠導致更小產品尺寸,進而能夠為直接增加利潤的裝置留出空間。功率密度是轉換器一個很好參數,但是應該仔細比較,並包括系統中所有元素,可以預期,製造產業中機櫃和資料中心伺服器機架之間的功率密度差異會很大。
(本文作者任職於貿澤電子)
電氣化/電動化加足馬力 車用電源設計效能零妥協
汽車電氣化、電動化的革命正加速上演,引發新的電源供應與管理設計轉變。最近的一個新發展即是48V電源架構的導入,與傳統的12V系統相較,48V系統滿足了以更低的成本和體積,提供更多的電力需求,並可顯著減少二氧化碳排放量,特別是在電動車的應用上,效益更為顯著。此外,自駕車的發展讓車用電子系統愈來愈多,也帶來電源設計上的新挑戰。
因應上述汽車發展的變化,半導體界已提出許多創新的電源技術與設計方案,其中,可實現更高功率密度的SiC和GaN等寬能隙功率半導體技術的引進,便是最明顯的例子;而針對車載處理器與ADAS系統對性能的要求,所研發出的新一代電源管理IC,也愈來愈受到車電系統開發商的青睞。本活動邀請相關領域代表廠商,深入解析這些新的汽車電源技術及其應用設計之道。
電動車近年快速發展,市場規模在2017年迅速突破100萬輛,貿澤電子(Mouser Electronics)亞太區行銷暨企業發展副總裁田吉平提到,原先預期2019年出貨量將持續大幅提升,無奈市場遭遇逆風,原因包括充電樁基礎建設未到位、整車價格過高、電池續航力不足等,都延緩了市場的發展腳步,不過人們對於電能的使用與依賴持續提升,也同時凸顯汽車電源技術創新與應用深具產業發展潛力。因此,貿澤電子邀集Vicor、Microchip、Toshiba Electronic、ADI、Maxim等國際重點電源技術廠商進行前瞻技術分享。
去中心化架構搭配48V傳輸系統
電動車電源設計過去是中心化(Centralized)的設計,電源由一個高壓核心透過傳輸架構提供相關元件使用,Vicor台灣區應用工程師張仁程表示,未來電動車將發展去中心化(Decentralized)的架構(圖1),以轉換效率94%為例,中心化的架構以3kW的供電源提供給各系統,將產生180W左右的傳輸與轉換損耗;而去中心化架構則透過多個分散且電壓降低到1kW的供電源,由於供電位置分散,且電壓轉換幅度相對較小,所以線損與轉換損耗幅度都降低,整體效率可以提升到97~98%,功率損耗僅約15W左右。
圖1 電動車電源供應去中心化(Decentralized)架構
分散式架構設計還具有電源模組封裝彈性(Packaging Flexibility)、電源轉換幅度小更接近傳輸電壓、散熱系統成本降低、供電系統備援、降低傳輸線路成本與重量等優勢。而在48V供電系統中,Vicor也致力於零電壓轉換(Zero Voltage Switching, ZVS)設計,張仁程認為,正弦振幅轉換器(Sine Amplitude Converter, SAC)拓撲結構就是其中的關鍵,該架構是一個處於BCM模組核心位置的動態、高效能引擎。透過SAC的高工作頻率,可使用較小的變壓器來提高功率密度和效率。
核心工作電壓提升SiC廣泛導入
寬能隙功率元件是近年來電源技術的熱門討論焦點,碳化矽(SiC)導通電阻RDS(ON)在工作溫度範圍內,變化不會超過30%,適合在高電壓、高溫與高功率環境下工作(圖2)。Microchip嵌入式解決方案工程師Sam Liu說明,未來幾年電動車有幾個明顯的發展趨勢,包括電壓將從400V提升到800V;馬達控制部分,也將導入SiC元件取代Si IGBT元件,以達成更高能量密度、效率、接面溫度與更小的模組尺寸;更高效率的供電到傳輸系統的電壓轉換;電動車內部的系統充電與外部的充電樁充電都需要更高效率,所以SiC將更廣泛導入這些系統的應用。
圖2 主流功率元件工作電壓與電源頻率範圍示意
Sam Liu強調,Microchip可以提供700V與1200V SiC模組、晶片與部分1700V元件,以達成上述幾個電動車的發展趨勢,未來更將1700V的完整解決方案納入。另外,Microchip的30kW三相Vienna功率因數校正(PFC)功能、SiC分離元件和SP3/SP6L模組驅動參考設計/驅動板,最高效率可達98.6%,總電流諧波失真小於5%,可有效協助系統開發人員縮短開發週期。
電源元件強化車輛電氣化效能
電氣化近年成為汽車產業發展的重點,而且變成不可逆的趨勢,台灣東芝電子零組件(Toshiba Electronics Components)將相關技術分成環境(Environment)、安全(Safety)與資訊娛樂(Infotainment)三個部分,並分別提供相關零組件解決方案。該公司系統元件與數位行銷部處長蔡佳言說,改善環境的解決方案特別強調高效能、小型輕量化與功能安全性,如馬達控制IC、光電耦合器、功率MOSFET、IGBT等元件。
另外,在安全性應用,蔡佳言提到,目前先進駕駛輔助系統分成感測、辨識、決策、控制幾個部分(圖3),而Toshiba Electronics Components則是專注於辨識功能的元件,可提供高辨識率、低功耗且適用於多個影像辨識系統的影像辨識處理器。而在資訊娛樂部分,則是提供車用遙控門鎖(Remote Keyless Entry, RKE)、ETC晶片、車用音響功率放大器(Car Audio Power Amp)與車用乙太網路AVB/TSN解決方案等。
圖3 先進駕駛輔助系統ADAS運作機制
DC/DC雙向控制系統轉換更順暢
車輛電氣化的過程中,48V電源傳輸系統越來越被重視,目前有許多車輛採用48V與12V的雙電池系統設計,ADI...
功率半導體現快充商機 GaN挾高效能進軍消費市場
氮化鎵(GaN)成為電子產業的熱門技術,圍繞氮化鎵的產品、可靠性和解決方案是目前業界關注焦點。其中2020年是消費類充電器,特別是快充市場快速發展的重要時間。隨著市場不斷成熟和趨勢日益明確,消費者對小尺寸和高功率快速充電器的需求越來越大,市場前景可期。GaN快充的其中兩個重要技術指標就是高功率密度和高效能。高功率密度呈現在同一額定功率下的小體積,而高效能則表現於節能環保和更低的工作溫度上。氮化鎵零組件由於具有極高的開關速度及同一晶圓下的小導通電阻,使得更高的效能和開關頻率快速充電成為可能。
2020年採用氮化鎵零組件的快充技術進入快速發展階段,根據產業調查顯示,作為消費類電子指標的手機產業中,目前已經有華為、小米、OPPO等多個知名品牌推出了使用氮化鎵的快充產品。電商方面,更有多達20個品牌先後推出氮化鎵快充產品。本文將探討充電器的技術發展趨勢和氮化鎵功率零組件在高功率、小型化需求下的巨大市場前景。
圖1總結了兩個常見的功率段下,充電器的主要電路和功率密度以及效能指標要求。針對75W以下(30W~65W)的充電器,目前主要電路為單端準諧振(Quasi-Resonant,QR)返馳或主動鉗位返馳(Active Clamp Flyback, ACF)兩種電路。最高效能指標要求接近94%,功率密度要求20W/in3。而高於75W(100W~300W)的充電器,目前基本採用兩級電路方案,前級是功率因數校正電路(PFC),後級為LLC諧振或其他隔離DC/DC電路。最高效能目標要求達到95%,功率密度要達到22W/in3以上。與傳統矽(Si)基功率零組件相比,新材料的氮化鎵零組件具有更高的性能,為充電器,特別是快充產品的小型化和高效能帶來新的可能。
圖1 充電器市場拓撲電路和技術指標
氮化鎵效能高於矽基零組件
氮化鎵零組件由於其寬能隙特點,它的主要優勢在於高開關速度和低開關損耗上。另外,相比同一晶圓大小的功率零組件,氮化鎵功率零組件具有低於矽基零組件的通態電阻,因此系統層面可以帶來更高效能、低工作溫度和小體積的特點,非常適用於小體積、高功率密度的充電器產品設計。總結已量產的氮化鎵功率零組件與目前市場上較優的矽基MOSFET進行比較,可以發現氮化鎵零組件在具有較低的通態電阻下,同時兼具更低的驅動電荷Qg、漏柵極電荷Qgd和輸出能量Eoss,使得高頻率高效能成為可能。
圖2是典型的準諧振(QR)返馳電路拓撲,由於它的低成本和較高可靠性,多用於充電器電路中。在電路中為了提高充電器的功率密度,一個直接的方法就是增加開關頻率來降低變壓器等元件的尺寸。然而提高開關頻率以後,必然將帶來額外的零組件開關損耗和升溫。QR返馳電路主要有兩個與開關頻率相關的損耗,頻率越高相應損耗越大:
1.在功率零組件關斷瞬間原邊電流達到峰值電流,功率零組件在硬關斷過程關閉,存在電壓電流交疊的關斷損耗。可以由零組件驅動電荷Qg和漏柵極電荷Qgd參數來評估。
2.在零組件開通時刻,由於此時電流基本為零,因此不存在開通電壓電流交疊開關損耗,但QR返馳電路在高壓交流電壓輸入(230Vac)條件下零組件開通瞬間漏源極電壓並不為零,所以存在由於內部寄生電容放電產生的放電損耗。它可以由寄生電容對應的輸出能量Eoss參數來評價。
圖2 典型的準諧振(QR)反激電路拓撲和開關過程中的損耗
評價一個功率零組件特性重要指標是品質因數(Figure Of Merit, FOM),它綜合評估零組件的通態和開關特性,越小的FOM代表越優的零組件性能。其中Input FOM表明了零組件在同等通態電阻下,零組件的開關過程中電壓電流交疊損耗,它是硬開關電路評估零組件最重要的指標,例如QR返馳電路的關斷損耗就可以用這個指標來比較。如圖3所示,在相近通態電阻(50~60毫歐)條件下,氮化鎵零組件的漏柵極電荷Qgd僅為矽基零組件的6%,導致開關過程中氮化鎵零組件電壓電流交疊損耗遠小於矽基零組件,約為矽基零組件的五分之一。
圖3 氮化鎵和矽基零組件總電荷比較,以及交疊開關損耗比較
QR Flyback FOM表明QR返馳電路中在同等通態電阻下零組件在200V下寄生電容產生的放電損耗,這裡電壓條件為200V是因為,當輸入交流電壓為高壓230Vac條件下,QR返馳電路功率零組件漏源極電壓約為200V條件下開通,將在此條件下產生寄生電容影響的開通損耗。圖4可以看到,在相近的通態電阻下,氮化鎵零組件的Eoss僅為矽基零組件的60%左右,導致開通電容放電損耗遠低於業界良好的矽基零組件。因此總結分析,氮化鎵零組件在各方面零組件性能上均優於矽基MOSFET零組件,適用於高頻化高效應用,實現優異性能。
圖4 氮化鎵和矽基零組件的輸出能量Eoss比較
產品應用及可靠性測試
從研發工程師的角度分析,在研發充電器產品時主要關注以下三個方面:第一是產品的可靠性,代表零組件在產品壽命中具有高的可靠性和低的失效率,滿足產品的設計壽命;第二是低成本,除了零組件自身成本以外,還需要考慮整體的BOM成本和生產成本;第三是產品能夠快速推向市場,縮短產品設計周期。
例如廠商GaN Systems一直致力於氮化鎵功率零組件的研發和生產,目前已經擁有完整的產品應用領域、高效工作電流和優良封裝的氮化鎵產品線。其中針對快充市場,GaN Systems推出650V 5×6毫米PDFN封裝的氮化鎵零組件,通態電阻從150毫歐(GS-065-011-1-L)到450毫歐(GS-065-004-1-L),可以用於30W到300W的充電器產品中。可靠性方面,GaN Systems按照JEDEC標準的產品認證流程,具有部分測試高於JEDEC標準的測試項目和延長測試時間的倍數。同時基於氮化鎵零組件自身特性,增加了多個額外可靠性測試項目,比如高溫開關動態壽命測試,以確保氮化鎵產品的可靠性和工作壽命。
EZDrive驅動方案
對於增強型氮化鎵零組件驅動,驅動電壓為6V左右,關斷電壓可以為0~10V,而傳統的帶驅動的充電器控制IC輸出驅動電壓一般為12V,因此為了和控制IC的驅動電壓配合,需要進行驅動電壓的電平轉換。其中GaN Systems提出了低成本的EZDrive電平轉換電路,透過簡單的四個小分離元件(RUD/CUD/ZDUD1/ZDUD2)實現驅動電壓的轉換,採用該電路後,氮化鎵零組件驅動實測波型VGS沒有任何過充和干擾振盪(圖5)。
圖5 EZDrive電平轉換電路和驅動波形
使用EZDrive電平轉換電路配合氮化鎵零組件驅動的另一個優勢在於,其驅動電阻Ron和Roff外置(圖6),可以透過驅動電阻來控制漏源極驅動電壓斜率dv/dt進而優化EMI設計。和其他單晶片整合驅動GaN方案相比,氮化鎵零組件加上EZDrive電平轉換電路具有更強的靈活性,並充分利用控制IC內部整合的驅動,實現低成本驅動氮化鎵零組件,同時由於驅動電阻外置,可以控制開關dv/dt斜率達到優化電磁干擾(EMI)設計的目的。
圖6 EZDrive電平轉換電路控制漏源極電壓上升和下降斜率dv/dt
氮化鎵充電器解決方案
採用氮化鎵功率零組件,能夠為充電器特別是快充產品的小型化、高效能、低溫度和低成本帶來可能,將會帶來新的市場機會。為了加速氮化鎵產品的設計與開發,GaN Systems推出針對快充等充電器市場的解決方案,方案覆蓋了30W到300W的功率等級,包含多個充電器常見功率和電路拓撲(準諧振QR返馳/主動鉗位返馳ACF/LLC諧振/功率因數校正PFC等),這些方案都採用了氮化鎵零組件實現高效能和功率密度。圖7是整合650V 5×6毫米PDFN封裝的氮化鎵零組件和EZDrive驅動電平轉換電路的子板(Daughter Card)。可以利用子板快速取代TO220等封裝矽基MOSFET零組件,以評估氮化鎵零組件在性能上的優勢。其中EZDrive電平轉換電路利用四個小分離元件(R1/C1/D2/D3)實現氮化鎵零組件與傳統驅動器或控制器IC的低成本相容。
圖7 氮化鎵5×6毫米PDFN零組件及EZDrive電平轉換電路小子板參考設計
65W高功率密度(18.5W/in3)PD方案是針對快充市場新推出的整體解決方案(圖8),其攜帶了150毫歐氮化鎵零組件(GS-065-011-1-L),採用準諧振電路達到低成本、高頻率解決方案。方案最高效能接近94%,滿足CoC V5 Tier2的效能和待機功耗要求,帶殼高殼溫低於65度以下。除了兩層PCB板低成本設計、高效能和高功率密度之外,方案通過安規標準及EN55032 B類EMI傳導和輻射的全面測試,支援USB-C多種協定輸出,協助使用者縮短產品設計周期,產品快速推向快充消費市場。
圖8 65W PD快充參考設計
如圖9所示,300W高功率密度AC/DC充電器方案使用GS66504B氮化鎵零組件,電路採用同步升壓PFC和LLC諧振電路中,實現了最高95%的效能,34W/in3的功率密度,滿足EN55032 B類EMI傳導要求。其中LLC諧振軟開關電路開關頻率達到500kHz,展現氮化鎵功率零組件在高頻軟開關電路下的獨特優勢。
圖9...
寬能隙材料觸發電源革命 量測軟體角色更吃重
高效能、低損耗的開關元件,對於馬達控制電路跟切換式電源供應器而言,是不可或缺的核心元件,以往這類開關元件都是以矽為基礎的MOSFET跟絕緣柵雙極電晶體(IGBT),但氮化鎵(GaN)與碳化矽(SiC)這兩種寬能隙(WBG)材料的出現,正在逐漸改變這個市場的樣貌。
與矽相比,GaN跟SiC具有更低的導通電阻、更高的切換頻率,同時也能承受更高的電壓。這使得基於寬能隙材料的電源供應器跟馬達驅動設備,外觀尺寸將變得更小巧,但輸出功率卻比基於矽開關的設備還要更高。對電源產業來說,這些特性不只讓既有的產品性能更優異,同時還為相關業者開拓了新的應用市場。
量測儀器業者也從這波新材料導入所觸發的電源產業革命中,看到的新的機會與新的挑戰。由於應用更多元化,原本提供切換式電源產品,主力應用在PC、伺服器與消費性電源市場的業者,開始接觸到電動車、能源等新的垂直產業,但這些產業都有自己行之有年的產業標準跟規範,且還在與時俱進當中。如何讓工程師快速熟悉相關規範、簡化量測作業,甚至縮短產品開發時程,也成為儀器供應商的責任。
新應用、新挑戰與新機會
是德科技應用工程部專案經理蕭舜謙(圖1)指出,對電源量測來說,寬能隙元件的出現,最直接的影響就是其開關頻率比矽要高出一大截。以往以矽為基礎的MOSFET或IGBT,開關頻率往往只有數百KHz,最高也不過在1~2MHz之間,但寬能隙元件的開關頻率可以達到數十MHz,以後還有可能會拉得更高。
圖1 是德科技應用工程部專案經理蕭舜謙
因此,要開發基於寬能隙元件的電源應用,開發者第一個要面對的,就是儀器的速度必須跟上元件的開關頻率。但開關頻率拉高,除了令既有的電源量測儀器要跟著升級之外,設計工程師還會需要使用新的儀器,例如網路分析儀、EMC測試儀等。因為頻率跟雜訊是連動的,當頻率高過一定門檻之後,電源工程師應對電磁干擾(EMI)的方法,也必須跟著轉變。此外,開關頻率提高,也會讓工程師更難用傳統量測設備取得CV特性、S曲線等電源相關的關鍵參數。因此,電源應用開發只需要示波器跟電源探棒的想法,會越來越難套用在新一代電源的開發上。
如果把電源技術應用型態的拓展也納入考量,則電源設計者面對的問題將會變得更複雜。以往在開發電源供應器時,通常只需要做靜態量測跟功能性量測,動態量測的需求不多。但如果是電動車、能源等產業,這些產業奉行多年的標準,如JEDEC、IEC等,都會要求進行靜/動態同步測試,雙脈衝測試因而成為基本需求,這會用到任意波形產生器跟對應的軟體。且不同垂直應用還會有該產業必須遵守的標準規範,產品必須通過標準合規測試,才有機會進入市場。因此,把上述種種因素加總起來,電源相關產業的產品研發人員,正面臨一個新時代,需要新的設計工具跟儀器來輔助。
是德科技行銷處資深專案經理吳哲樂(圖2)則補充,在開發新一代電源的過程中,開發軟體、模型分析工具的重要性,會比以往更加重要。因此,在是德針對電源應用所推出的PD1000A平台中,除了對應的儀器硬體外,還有大量的軟體工具。這些軟體包含建模軟體和一系列電源電路模擬工具,讓工程師能更輕鬆地建立模型。而包含曲線追蹤、S參數與雙脈衝測試儀硬體的測試套件,能夠從實際的WBG元件取得量測結果,再利用先進的建模軟體,建立是德科技獨有的尖端WBG元件模型。這些模型之後亦可用於是德提供的先進設計系統(ADS)軟體,以模擬並分析高頻元件對於設計可靠度和EMI的影響。在完成第一個原型之前,設計人員可隨時變更設計,藉由省下不必要的設計週期,節省時間與成本。
圖2 是德科技行銷處資深專案經理吳哲樂
整體來說,電源設計團隊如果要開發基於GaN或SiC的新一代電源,且產品的目標應用不是傳統的電源供應器市場,開發者會面臨許多以往不曾遇到的挑戰,儀器供應商必須提供對應的Turnkey方案,才能發揮儀器供應商的價值。而測試軟體跟分析工具,則是這整套Turnkey中,不可或缺的一環。
寬能隙商機來臨 晶圓/元件測試最先有感
太克科技(Tektronics)資深技術顧問陳思豪(圖3)則指出,寬能隙材 料的革命,影響的不只是電源設備的設計開發,更上游的半導體晶圓測試,也需要有所因應。而台灣由於有很完整的晶圓代工跟封裝產業鏈,因此相關晶圓級/封裝級測試,需求已經有所反應。
圖3 太克科技資深技術顧問陳思豪
針對功率元件的晶圓級/封裝級測試,最主要的測試儀器是精密電源量測單元(SMU),而隨著功率元件從矽逐漸轉變為WBG材料,儀器要量測的基本參數其實沒有太多改變,諸如IV曲線、CV曲線、S參數,以及反向電流特性等。但因為大功率是WBG元件一個很重要的特性,因此WBG元件測試的電壓、電流需求,普遍比以往的矽元件來得高,進而促使太克發展出支援高功率、大電流測試的Keithley 2600 PCT系列儀器。
不過,在元件測試端,就跟在系統測試端的情況類似,測試軟體所扮演的角色也越來越吃重。除了基本的測試項目外,為了確保元件可靠度能滿足特定垂直產業需求,不管是晶圓測試還是封裝測試,都需要額外加測很多測試項目,有時加測項目可以達到上百項。因此,利用軟體來實現測試自動化,甚至是用客製化軟體來幫客戶滿足特定測試驗證需求,變成儀器商一個很重要的價值所在。
另一個有趣的觀察點在於,WBG元件測試設備跟軟體的需求,其實不完全來自半導體晶圓廠或封裝廠,有一部分台灣的電源OEM廠商,也開始採購原本用在半導體測試領域的解決方案,以便在採購的元件到貨時,進行進料檢驗(IQC)跟元件分級。陳思豪認為,這是台灣電源產業發展的好現象,顯示有些電源業者已經開始轉往高品質、高附加價值的產品線,而不再只是一味追求低成本。
至於在應用系統的測試方面,太克科技業務經理吳道屏(圖4)則認為,WBG元件所帶來的新技術需求,主要出現在電源探棒上,畢竟對示波器或RF測試儀器來說,量測電源應用訊號跟雜訊所需的頻寬,其實都遠低於目前最先進的高速介面跟無線通訊技術,但電源探棒的需求,是電源系統量測所特有的。
為了因應大功率發展趨勢,電源探棒的性能必須更上一層樓,否則隨著元件上的電壓越來越高,加上要做動態量測,電源設計工程師工作的危險性會隨之大增。事實上,電源量測本來就是有相當風險的工作,因為開關元件會有反向電流,當高側跟低測在切換時,萬一不慎同時導通,出現短路,不僅元件燒毀,正在量測待測物的工程師也會有人身安全的問題。
此外,由於WBG元件的切換速度很快,倘若探棒上的寄生電容沒有相對應的降低,示波器量測到的波形就會跟著失真,讓設計人員無法取得真實的波形。所以,探棒技術的革新,其實是讓WBG元件的應用研發得以開展的關鍵要素。針對WBG元件的應用測試,太克研發出IsoVu探棒系統,該探棒使用光學技術實現完全的電隔離,共模耐壓超過2000V,且寄生電容的容值遠低於傳統探棒,使其成為量測高壓、高頻切換WBG元件的理想選擇。
滿足消費應用需求 GaN快充市場潛力不容小覷
手機/平板/筆電的螢幕尺寸、應用程式等功能快速成長,每人擁有的電子設備與穿戴裝置增加,導致電源需求同步提升,多接孔且充電快速的充電器順勢成為市場熱門的應用之一。同時面對矽材料在能量密度等方面的理論極限,為提升電源的轉換效率與功率密度,氮化鎵(GaN)逐漸成為受到製造商關注的功率半導體應用。投入GaN產品研發的廠商中,部分製造商專攻200V以下的消費電子市場,而GaN快充便是消費電子產品中商品化最為快速的應用。本文將整理GaN在消費性電子市場的應用分析與發展挑戰,探究GaN在消費電子市場的潛能,以及未來應用方向。
GaN快充應用看漲
今年GaN快充應用的熱潮,從1月CES 2020的參展狀況可略知一二。GaN System台灣區業務總經理林志彥(圖1)描述,CES 2020中,約有50-60家的台灣及中國的消費電子配件品牌參展,並推出超過100件採用GaN的產品。納微半導體(Navitas)銷售和市場副總裁Stephen Oliver(圖2)認為,2020年即是GaN在智慧型手機/平板/筆電快充產品的應用快速發展的一年。過去幾年間,從統計數據中可以發現,螢幕與電池的尺寸持續增加(圖3),同時Oppo、Vivo、聯想(Lenovo)、小米已推出手機搭載65W以上的充電器,代表使用者需要快充滿足逐漸增加的電源需求。除了先前主攻售後市場的AUKEY、Anker、RAVpower及Belkin,其他製造商如聯想、三星(Samsung)、Oppo與小米採用GaN快充作為售後的手機配件,甚至可能將其提升為原廠標配(圖4)。
圖1 GaN Systems台灣區業務總經理林志彥
圖2 納微半導體銷售和市場副總裁Stephen Oliver
圖3 2017-2020年智慧型手機及電池尺寸變化 資料來源:Navitas
圖4 2020年Q2 OEM廠商充電器分布 資料來源:Navitas
除了GaN快充產品在消費端需求顯著,製造商同時看好GaN高效率、低導通損耗、外型小巧且適用於高頻率的材料特性。Yole化合物半導體/新興材料技術與市場分析師Ezgi Dogmus解釋(圖5),技術上,GaN在系統整合方面有兩大主要趨勢:系統單晶片(SoC)、系統級封裝(SiP)。針對技術平台,有兩種為了GaN部署的半導體基板:採用藍寶石基板的GaN-on-sapphire、使用矽基板的GaN-on-Silicon。兩種技術都發展良好,可望在明年成為熱門應用。整體而言,GaN快充系統的成本、尺寸及效能,將會創造比其他充電產品更大的市占率。
圖5 Yole développement化合物半導體技術與市場分析師Ahmed Ben Slimane(左)、Yole développement化合物半導體/新興材料技術與市場分析師Ezgi Dogmus(右)
廠商競爭刺激產量
面對新應用如GaN快充,產品成功最重要的關鍵在於開創市場,讓技術被市場接受並且獲利。Stephen Oliver提到,相較於使用矽,採用納微GaNFast功率晶片的充電器,在整合GaNFET/驅動器/邏輯與數位電路的前提下,可以達到充電速度加快三倍,同時體積減少一半,兼顧性能與價格的優勢。例如廠商AUKEY使用GaNFast晶片製造61W的快充,其體積比蘋果充電器小65%。
如果著重觀察消費市場對新技術/產品的接受度,價格便是驅動需求的主因。林志彥舉例,小米已推出的GaN快充電源售價約台幣700元,成為市場高度接受的產品之一。此外,長期而言,小體積的GaN所需材料少於矽充電器,因此若產量提高甚至進入自動化生產階段,價格將更有明顯的競爭優勢。
生產方面,消費電子產品通常由製造商設定價格、效能與外型規格標準,快充也是如此。Yole分析師說明,GaN作為一項新技術,主要的挑戰在於價格與採用率,而這些又都受限於OEM廠商的嚴格要求與市場布局。截至2020年第二季的GaN市場持續波動(圖6),GaN仍具突破與成長動能。Yole分析師預估,接下來的18個月內,市場會維持相似的浮動狀態,因此國際大廠如三星、華為在產品標配中採用GaN快充的規畫中激烈競爭,蘋果(Apple)可能也會加入戰局,廠商間的競爭將會大力刺激市場銷量,同時導致GaN快充產量上升且價格快速下降。
圖6 功率GaN裝置市場營收趨勢 資料來源:Yole
現階段的GaN快充功率以65W為主流,Stephen Oliver表示,接下來三至五年間,GaN快充的研發必然朝著功率密度更高、充電更快的方向前進,例如聯想預計在今年九至十月左右推出搭載90W電池的手機。新型態的消費者更依賴電子設備提供的工作與娛樂功能,但生活節奏加快、設備的電池容量增加,無法等待漫長時間的來完成充電,因此不斷增長的充電速度即是因應市場需求,Stephen Oliver認為未來功率GaN晶片的市場規模可達10億美元。此外,多接孔的USB-C充電器也會在產業中掀起風潮,滿足現在常見同時持有多個電子設備的消費者的充電需求。
2025年GaN市場上看七億
隨著三星、華為、小米等手機製造商規畫將GaN快充放入標配,Yole分析師觀察到GaN快充高度的市場潛力。GaN已經開始部署在超過45W的快充中,仰賴其小尺寸且高度整合的電源系統,形成高功率密度的應用。接下來三年內趨勢將指向系統單晶片及系統級封裝技術,驅動GaN在消費市場的進展,且GaN充電器的尺寸會持續縮小並伴隨成本下降。
整體而言,Yole分析師預測GaN市場在2025年會超過七億美元,2019~2025年的年均複合成長率(CAGR)則為76%,代表2025年在GaN的整體市場中,將有超過80%的占比來自消費市場(圖7)。林志彥進一步說明,GaN System在市場布局上關注的消費電子、儲能系統、資料中心、工業控制與電動車五大領域中,其中進展最快的即是消費電子市場,能在成本降低次激需求提升的前提下,快速達到量產。2021年下半年,各家廠商高階的手機/筆電型號,極有可能會將GaN充電器/變壓器納入標配規格。
圖7 功率GaN裝置市場規模分析(按應用區分) 資料來源:Yole
除了手機配件,GaN還有其他具有商機的應用場景。Yole分析師表示,GaN的性能表現與外型尺寸帶來優勢可應用在以下幾個領域:
‧ LED驅動器:GaN架構的成本才是受到採用的主因,其裝置GaN有機會用在大於50W的高階、高功率LED驅動器中。
‧ D類音效功率放大器:國際廠商如EPC、英飛凌、GaN...