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不止于充电领域,氮化镓(GaN)拥有广阔天地(下)

随着用户对充电器通用性、便携性的需求提高,未来GaN快充市场规模将快速上升,预计2020年全球GaN充电器市场规模为23亿元,2025年将快速上升至638亿元,5年复合年均增长率高达94%。

值得一提的是,在这样的市场趋势下,一些重要的半导体行业也大举切入到GaN市场。GaN不仅仅只在充电器领域,凭借GaN的功率性能、频率性能以及优秀散热性能,它还可用于5G基站、自动驾驶、军用雷达等众多功率和频率有较高要求的场。

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GaN的应用不仅仅止于充电领域

  • 5G技术

但在手机领域,GaN之所以越来越出名,绝不仅仅是因为快充,而是5G时代的到来。

5G将带来半导体材料革命性的变化,随着通讯频段向高频迁移,因此基站及通信设备对射频器件高频性能的要求也在不断提高。不仅如此,5G所需要的多重载波聚合以及基站的功率放大器,GaN都可以占据一席之地,通吃5G的上下游产业链。

在此背景下,GaN的优势将逐步凸显,使得GaN成为5G的关键技术。随着今年5G手机的大规模推出和各国5G基站的铺设,和现有的硅、砷化镓的解决方案比起来,GaN则能提供更好的功率以及能耗比,也更能适用于5G时代的需求。

在5G的关键技术Massive MIMO应用中,基站收发信机上使用大数量(如32/64等)的阵列天线实现更大的无线数据流量和连接可靠性,这种架构需要相应的射频收发单元阵列配套。因此射频器件的数量将大为增加,器件的尺寸大小很关键,利用GaN的尺寸小、效率高和功率密度大的特点可实现高集化的解决方案,如模块化射频前端器件。

除了基站射频收发单元陈列中所需的射频器件数量大为增加,基站密度和基站数量也会大为增加,因此相比3G、4G时代,5G时代的射频器件将会以几十倍、甚至上百倍的数量增加,因此成本的控制非常关键,而硅基氮化镓在成本上具有巨大的优势,随着硅基氮化镓技术的成熟,它能以最大的性价比优势取得市场的突破。

同时在5G毫米波应用上,GaN的高功率密度特性在实现相同覆盖条件及用户追踪功能下,可有效减少收发通道数及整体方案的尺寸,实现性能成本的最优化组合。

  • 自动驾驶

GaN技术在LiDAR系统中发挥非常重要的作用,相较MOSFET器件而言,开关速度快十倍,使得LiDAR系统具备优越的解像度及更快速反应时间等优势,由于可实现优越的开关转换,因此可推动更高准确性。这些性能推动全新及更广阔的LiDAR应用领域的出现包括支持电玩应用的侦测实时动作、以手势驱动指令的计算机及自动驾驶汽车等应用。

  • 国防工业

GaN在国防工业中的应用前景也很广阔,美国的大型国防合约商雷神公司宣布将开始在新生产的Guidance Enhanced Missile-TBM(GEM-T)拦截器中使用GaN计算机芯片,以取代目前在导弹发射器中使用的行波管(TWT),希望通过使用GaN芯片升级GEM-T的发射器,提高拦截器的可靠性和效率。此外,在新生产导弹中过渡到GaN意味着发射器不需要在拦截器的使用寿命期间更换。

雷神公司的GEM-T导弹是美国陆军爱国者空中和导弹防御系统的支柱,于对付飞机和战术弹道导弹和巡航导弹。发射器将导弹与地面系统连接起来,使其能够在飞行过程中控制武器,GEM-T中的GaN发射器使用固态而不是传统的行波管设计。

新发射器具有与旧发射器相同的外形和功能,不需要额外的冷却,并且可以在通电几秒钟内运行。这意味着采用新型GaN发射器的GEM-T将能够继续在最苛刻的条件下运行。这种发射器技术也可能会在其他导弹上看到其他测试。美国陆军表示有兴趣用这些类型的发射器取代整个库存,在GEM-T计划中采用这些发射器能够将修复成本降低36%。

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结语

最后我们来看看,现在什么是氮化镓(GaN)器件发展道路上的“拦路虎”呢?影响最大的就是:价格。

回顾前两代半导体的演进发展过程,任何一代半导体技术从实验室走向市场,都面临商用化的挑战。

目前GaN也处于这一阶段,成本将会随着市场需求量加速、大规模生产、工艺制程革新等,而走向平民化,而最终的市场也将会取代传统的硅基功率器件。随着第三代半导体的普及临近,也让我们有幸见证这一刻的到来。


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