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氮化鎵作為顛覆傳統(tǒng)功率器件的革命性創(chuàng)新，正逐漸擴(kuò)展其應(yīng)用邊界。作為全球高壓功率轉(zhuǎn)換技術(shù)的領(lǐng)軍企業(yè)，Power Integrations（簡稱PI）長期致力于通過創(chuàng)新推動行業(yè)變革，尤其是在氮化鎵（GaN）技術(shù)領(lǐng)域不斷實(shí)現(xiàn)突破。
2024年11月4日，PI發(fā)布了業(yè)界首款1700V氮化鎵開關(guān)IC——InnoMux?-2，這一產(chǎn)品標(biāo)志著氮化鎵技術(shù)發(fā)展的重要里程碑。InnoMux?-2采用PI獨(dú)有的PowiGaN?技術(shù)和FluxLink?次級側(cè)控制技術(shù)，在技術(shù)參數(shù)和性能上均實(shí)現(xiàn)了跨越式升級。其在1000VDC母線電壓下效率高達(dá)90%，多路輸出調(diào)節(jié)精度控制在1%以內(nèi)，無需后級穩(wěn)壓器即可提升系統(tǒng)效率約10%。這一創(chuàng)新不僅填補(bǔ)了高電壓應(yīng)用領(lǐng)域的空白，還為太陽能逆變器、汽車充電器、工業(yè)設(shè)備等高端市場提供了更具成本效益的替代方案，與傳統(tǒng)的碳化硅（SiC）器件相比具備顯著優(yōu)勢。
PI市場副總裁Doug Bailey
PI市場副總裁Doug Bailey在專訪中對與非網(wǎng)記者分享了這一產(chǎn)品背后的研發(fā)歷程和技術(shù)突破。他指出：“從900V到1250V，再到1700V，PI在兩年內(nèi)完成了三次業(yè)界首創(chuàng)的耐壓等級躍升。這是材料生長、器件設(shè)計(jì)和系統(tǒng)集成技術(shù)協(xié)同發(fā)展的成果?！?/p>
PI為何選擇高壓氮化鎵路線？
作為一家全球領(lǐng)先的半導(dǎo)體高壓功率轉(zhuǎn)換技術(shù)企業(yè)，PI自成立以來便專注于氮化鎵高壓技術(shù)路線。 Bailey先生對與非網(wǎng)記者表示，高壓技術(shù)路線因其對安全性、可靠性的更高要求，成為公司專注的核心方向。這一戰(zhàn)略，與低壓方向依賴規(guī)模效應(yīng)和效率的競爭模式形成了鮮明對比。
Doug Bailey表示，在高壓領(lǐng)域，PI憑借多項(xiàng)專利技術(shù)構(gòu)建了強(qiáng)大的競爭壁壘。PI的PowiGaN?技術(shù)已實(shí)現(xiàn)從900V到1700V的氮化鎵器件覆蓋，標(biāo)志著功率器件性能的新高度。此外，PI開發(fā)的FluxLink?數(shù)字隔離通信技術(shù)提供了高精度、多路輸出控制的革命性方案。這些創(chuàng)新不僅提升了產(chǎn)品效率，還顯著降低了系統(tǒng)復(fù)雜性，為客戶帶來更高性能和成本優(yōu)勢。
Bailey指出，PI的零電壓開關(guān)（ZVS）技術(shù)徹底顛覆了傳統(tǒng)開關(guān)損耗的極限。通過減少能量損失并提升可靠性，PI的技術(shù)在工業(yè)、汽車充電、太陽能逆變器和三相電表等領(lǐng)域占據(jù)了領(lǐng)先地位。
在功率半導(dǎo)體領(lǐng)域，氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）作為下一代功率器件的核心技術(shù)，正引領(lǐng)行業(yè)變革。兩種材料因技術(shù)特性和成本結(jié)構(gòu)的差異，定位于不同的市場應(yīng)用場景，形成了互補(bǔ)又競爭的格局。市場調(diào)研機(jī)構(gòu)Yole Intelligence預(yù)測，到2029年，全球功率氮化鎵市場規(guī)模將達(dá)到20億美元，而PI通過持續(xù)技術(shù)創(chuàng)新，進(jìn)一步鞏固其在市場中的領(lǐng)先地位。
碳化硅的主要優(yōu)勢在于其較高的電流承載能力和適合超高功率場景的垂直結(jié)構(gòu)。這使其在軌道交通、高壓輸電以及電動車驅(qū)動模塊中的逆變器領(lǐng)域占據(jù)了不可替代的地位。例如，在需要高壓直流輸電的電力系統(tǒng)中，碳化硅器件已展現(xiàn)出卓越的性能，成為行業(yè)標(biāo)桿。
氮化鎵的橫向結(jié)構(gòu)賦予其高開關(guān)速度和低開關(guān)損耗的特點(diǎn)，尤其適合中低功率領(lǐng)域，如消費(fèi)電子、快充設(shè)備等。在這些市場中，氮化鎵已占據(jù)領(lǐng)先地位。PI市場副總裁Doug Bailey指出，PI在氮化鎵外延生長技術(shù)方面的獨(dú)特優(yōu)勢，顯著降低了缺陷率和成本，進(jìn)一步增強(qiáng)了產(chǎn)品競爭力。這種成本優(yōu)勢使氮化鎵在價(jià)格敏感的市場（如消費(fèi)電子、家電和部分新能源應(yīng)用）中更具吸引力。
PI氮化鎵產(chǎn)品的主要應(yīng)用場景？
近年來，PI相繼推出了900V、1250V和1700V的氮化鎵開關(guān)IC產(chǎn)品，涵蓋了從中壓到高壓的廣泛應(yīng)用。這些產(chǎn)品憑借卓越的性能和成本優(yōu)勢，幫助客戶提升系統(tǒng)效率并降低運(yùn)營成本。
PI氮化鎵產(chǎn)品的主要應(yīng)用場景
PI 的氮化鎵（GaN）產(chǎn)品通過其高效、高壓、低損耗的特性，在新能源汽車、綠色能源、工業(yè)控制、智能家居和嵌入式適配器等領(lǐng)域展現(xiàn)了顯著優(yōu)勢：
- 新能源汽車
在新能源汽車領(lǐng)域，PI 的氮化鎵技術(shù)支持800V至1000V的高壓母線電壓，是推動電動車充電效率和續(xù)航能力提升的關(guān)鍵。通過零電壓開關(guān)（ZVS）技術(shù)和 FluxLink?數(shù)字隔離通信技術(shù)，PI 不僅顯著降低充電過程中的開關(guān)損耗，還優(yōu)化了系統(tǒng)成本和體積，為高壓電池組的充電提供了更高效、更經(jīng)濟(jì)的解決方案。
- 綠色能源
PI 的氮化鎵技術(shù)在太陽能逆變器和儲能系統(tǒng)中發(fā)揮了核心作用。其高開關(guān)速度和低損耗特性大幅簡化了逆變器設(shè)計(jì)，同時提升了約10%的能量轉(zhuǎn)換效率。這種技術(shù)優(yōu)化降低了光伏系統(tǒng)的碳足跡，使其更適用于太陽能、風(fēng)能和儲能等快速增長的清潔能源領(lǐng)域。
- 工業(yè)電源控制
工業(yè)控制場景需要設(shè)備在高壓和極端環(huán)境下保持可靠運(yùn)行。PI 的氮化鎵 IC 通過提供高達(dá)1200V以上的母線電壓支持，以及高精度（±1%）多路輸出能力，滿足了工業(yè)設(shè)備多樣化電源需求。同時，其低開關(guān)損耗和熱管理優(yōu)勢減少了散熱壓力，為工業(yè)場景提供了更高的穩(wěn)定性和可靠性。
- 智能家居
在智能家居市場，PI 的氮化鎵 IC 以其待機(jī)功耗低至50mW以下的特點(diǎn)，顯著提升了家用設(shè)備的能源效率。其多路電源靈活供電能力滿足了通信模塊、傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的多樣需求，并通過減少元件數(shù)量優(yōu)化設(shè)備設(shè)計(jì)，為智能家居設(shè)備提供了綠色節(jié)能的解決方案。
- 嵌入式適配器
緊湊的嵌入式設(shè)備和適配器對功率密度和散熱有嚴(yán)格要求。PI 的氮化鎵 IC 采用單級電源架構(gòu)，顯著降低了元件復(fù)雜度和熱損耗。其高效設(shè)計(jì)使其適用于密封適配器和嵌入式系統(tǒng)，成為優(yōu)化空間利用和可靠運(yùn)行的理想選擇。
InnoMux?-2的技術(shù)優(yōu)勢？
PI在2024年推出的1700V氮化鎵InnoMux?-2 IC可支持高達(dá)1000V的直流母線電壓，效率超過90%。產(chǎn)品具備多路輸出調(diào)整功能，調(diào)整精度高達(dá)1%，無需額外穩(wěn)壓器，進(jìn)一步提升了整體系統(tǒng)效率和成本效益。
從技術(shù)層面看，這款1700V氮化鎵IC的問世不僅僅是一次產(chǎn)品升級，而是對氮化鎵技術(shù)成熟度和應(yīng)用潛力的一次全面驗(yàn)證。PI技術(shù)副總裁Radu Barsan表示：“我們在不到兩年的時間里實(shí)現(xiàn)了三次行業(yè)領(lǐng)先的電壓躍升，從900V到1250V，再到現(xiàn)在的1700V。這不僅是一項(xiàng)技術(shù)成就，更表明PI對氮化鎵技術(shù)發(fā)展的深度理解和掌控?！?/p>
PI不僅推出技術(shù)領(lǐng)先的產(chǎn)品，還通過與產(chǎn)業(yè)鏈上下游深度合作，幫助客戶實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品快速開發(fā)。例如，PI的InnoMux?-2系列提供豐富的參考設(shè)計(jì)和評估工具，讓客戶更快將設(shè)計(jì)理念轉(zhuǎn)化為實(shí)際產(chǎn)品。同時，PI推出的參考設(shè)計(jì)RDR-1053，這是一款60W雙路輸出（5V和24V）的電源方案，可免費(fèi)下載。這不僅為工程師提供了設(shè)計(jì)參考，也展現(xiàn)了InnoMux-2的多樣化應(yīng)用場景。樣品IC和評估板可通過PI的銷售代表及其全球授權(quán)分銷商（如DigiKey、Mouser等）獲得。
PI 技術(shù)優(yōu)勢
Power Integrations（PI）憑借其在高壓功率轉(zhuǎn)換領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新和市場布局，確立了行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)地位。其核心優(yōu)勢集中在氮化鎵（GaN）技術(shù)的應(yīng)用上，特別是通過PowiGaN?技術(shù)實(shí)現(xiàn)了全球首款1700V GaN開關(guān)IC，成為推動高壓功率器件技術(shù)發(fā)展的重要力量。相比傳統(tǒng)硅和碳化硅（SiC）器件，GaN在導(dǎo)通損耗、開關(guān)速度和體積方面具有顯著優(yōu)勢，而PI通過PowiGaN?技術(shù)將這些優(yōu)勢進(jìn)一步放大，使其產(chǎn)品不僅性能出色，還具備成本優(yōu)勢。
在技術(shù)層面，PI通過創(chuàng)新的零電壓開關(guān)（ZVS）技術(shù)，將開關(guān)損耗幾乎完全消除，使得器件發(fā)熱量顯著降低，這不僅提升了效率，還增強(qiáng)了功率器件在高壓應(yīng)用中的可靠性。此外，F(xiàn)luxLink?數(shù)字隔離通信技術(shù)通過磁感耦合取代了傳統(tǒng)的光耦隔離方式，實(shí)現(xiàn)了更高效的初級與次級通信，不僅提高了響應(yīng)速度，還降低了系統(tǒng)的待機(jī)功耗，適應(yīng)了現(xiàn)代高效節(jié)能的需求。尤其在多路輸出設(shè)計(jì)中，PI通過單級多路輸出架構(gòu)實(shí)現(xiàn)了每路輸出電壓的獨(dú)立精確控制，精度高達(dá)±1%，無需額外的后級穩(wěn)壓器，從而大幅簡化了設(shè)計(jì)，降低了系統(tǒng)復(fù)雜度和成本，同時將效率提升約10%。
PI性能優(yōu)勢
在應(yīng)用層面，PI的產(chǎn)品展現(xiàn)出強(qiáng)大的性能優(yōu)勢，特別是在高壓和多路輸出需求的場景中。其1700V InnoMux?-2系列支持1000V直流母線電壓輸入，效率超過90%，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)方案的能效水平。這些性能特點(diǎn)使其在工業(yè)電源、太陽能逆變器和汽車充電器等領(lǐng)域具有強(qiáng)大的競爭力，為客戶提供了更高效、更可靠的解決方案。
此外，得益于GaN的優(yōu)異電氣性能，PI的器件體積得以顯著減小，滿足了現(xiàn)代電子設(shè)備對輕量化和小型化設(shè)計(jì)的需求。在多路輸出應(yīng)用中，PI通過ZVS技術(shù)和FluxLink?技術(shù)的協(xié)同作用，不僅實(shí)現(xiàn)了高精度的電壓控制，還提升了系統(tǒng)的整體可靠性和響應(yīng)速度。這些特點(diǎn)尤其適用于工業(yè)控制器、智能家居和通信設(shè)備等對高可靠性和高精度要求較高的場景。相較傳統(tǒng)設(shè)計(jì)，PI通過單級架構(gòu)顯著減少了組件數(shù)量，優(yōu)化了設(shè)計(jì)復(fù)雜度，同時降低了制造成本，為客戶提供了更具性價(jià)比的選擇。
PI市場優(yōu)勢
與SiC相比，GaN具備更高的開關(guān)速度和更低的導(dǎo)通損耗，而PI通過PowiGaN?技術(shù)進(jìn)一步提升了氮化鎵的市場應(yīng)用潛力。同時，PI通過ZVS和FluxLink?技術(shù)的引入，提升了產(chǎn)品的技術(shù)門檻，鞏固了其市場領(lǐng)導(dǎo)地位，并有效抵御了潛在競爭者的挑戰(zhàn)。在推動行業(yè)技術(shù)進(jìn)步的同時，PI也通過技術(shù)整合和優(yōu)化，為市場提供了更優(yōu)的產(chǎn)品選擇，滿足了日益增長的高效、輕量化和可靠性需求。
在全球?qū)Ω咝Ч?jié)能需求日益增加的背景下，PI的產(chǎn)品通過更高的效率和更小的體積，順應(yīng)了市場發(fā)展趨勢。其FluxLink?技術(shù)和ZVS技術(shù)的結(jié)合，不僅減少了系統(tǒng)的待機(jī)功耗，還在多路輸出設(shè)備中展現(xiàn)了出色的電壓控制能力，這在現(xiàn)代電子設(shè)備追求高精度和高可靠性的需求中尤為重要。此外，PI通過簡化電路設(shè)計(jì)，減少組件數(shù)量，為客戶降低了生產(chǎn)成本，這種技術(shù)與成本的平衡使其產(chǎn)品在市場中更具吸引力。
如何應(yīng)對氮化鎵推廣的技術(shù)挑戰(zhàn)？
氮化鎵（GaN）具有高效率、低能耗和潛在的成本優(yōu)勢等多種優(yōu)點(diǎn)，但Bailey也提到了氮化鎵在推廣過程中面臨的挑戰(zhàn)以及PI的應(yīng)對措施：
- 可靠性與材料改進(jìn)
可靠性是氮化鎵器件在高電壓、高功率應(yīng)用中的核心挑戰(zhàn)之一。材料中的微小缺陷可能導(dǎo)致器件失效，尤其是在高壓條件下更為明顯。PI在外延生長技術(shù)上取得了重要突破，通過減少材料中的缺陷密度，顯著提升了器件的耐壓能力與長期穩(wěn)定性。這種優(yōu)化使PI成為業(yè)內(nèi)首個推出1700V氮化鎵器件的廠商，為其在工業(yè)和新能源領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。
- 熱管理優(yōu)化
氮化鎵器件在高開關(guān)頻率下產(chǎn)生的熱量對熱管理提出了更高要求。PI通過自主研發(fā)的封裝技術(shù)，將芯片中的熱量迅速傳導(dǎo)至PCB板或散熱器，大幅降低了器件的熱阻。此外，其零電壓開關(guān)（ZVS）技術(shù)有效減少了開關(guān)損耗，從源頭上控制了熱量的產(chǎn)生。這些技術(shù)使PI的氮化鎵器件在高電壓應(yīng)用中表現(xiàn)出色，同時具備更高的熱穩(wěn)定性。
- 橫向結(jié)構(gòu)的局限性
氮化鎵器件的橫向結(jié)構(gòu)限制了其在高電流場景中的應(yīng)用潛力。相比之下，碳化硅（SiC）的垂直結(jié)構(gòu)因更大的電流承載能力，在工業(yè)級驅(qū)動、電網(wǎng)等高功率領(lǐng)域具有天然優(yōu)勢。針對這一局限，PI正積極研發(fā)下一代垂直氮化鎵器件，力求在高電流應(yīng)用中迎頭趕上。這一方向的突破將進(jìn)一步提升氮化鎵技術(shù)的廣泛適用性。
- 生產(chǎn)工藝的復(fù)雜性
氮化鎵技術(shù)需要在成本和性能之間達(dá)到平衡。盡管氮化鎵在原料成本和能耗上具備優(yōu)勢，但生產(chǎn)中減少缺陷率和提升良品率仍是關(guān)鍵難題。PI通過持續(xù)改進(jìn)外延生長技術(shù)，以及研發(fā)高效的生產(chǎn)工藝，大幅提升了晶圓的良品率，從而降低了生產(chǎn)成本。
- 系統(tǒng)集成的復(fù)雜性
氮化鎵器件對系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求更高。例如，PI的FluxLink?數(shù)字隔離通信技術(shù)不僅替代了傳統(tǒng)光耦器件，降低了功耗，還增強(qiáng)了系統(tǒng)響應(yīng)速度。然而，這種創(chuàng)新技術(shù)增加了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，要求工程團(tuán)隊(duì)在可靠性、成本和性能之間找到最佳平衡點(diǎn)。
除了技術(shù)挑戰(zhàn)，氮化鎵產(chǎn)品的推廣也面臨市場競爭和成本壓力，盡管PI的1700V氮化鎵器件在成本和效率上具有綜合優(yōu)勢，但目前SiC憑借成熟的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)和可靠性，在某些領(lǐng)域仍是強(qiáng)有力的競爭對手。
總結(jié)
綜上，憑借在高壓氮化鎵（GaN）技術(shù)領(lǐng)域的深厚積累與創(chuàng)新能力， PI確立了其行業(yè)標(biāo)桿地位，并持續(xù)推動功率轉(zhuǎn)換技術(shù)的發(fā)展。
1700V GaN InnoMux?-2這款產(chǎn)品展示了其在高壓GaN技術(shù)中的領(lǐng)先能力，特別是在可靠性和散熱性能上的突破。
PI將GaN器件視為清潔能源生態(tài)系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)之一，聚焦于太陽能、儲能設(shè)備和工業(yè)電機(jī)控制等領(lǐng)域。PI的高效、低損耗產(chǎn)品設(shè)計(jì)顯著提升了能源轉(zhuǎn)換效率，同時降低了環(huán)境影響。
展望未來，PI將更積極的探索更高電壓、更高效率和更廣泛的應(yīng)用場景。例如，針對更高電流需求的垂直型氮化鎵器件已進(jìn)入研發(fā)階段，這種技術(shù)的成熟有望徹底改變市場格局，擴(kuò)展氮化鎵器件的應(yīng)用領(lǐng)域。
此外，目前氮化鎵領(lǐng)域還缺乏統(tǒng)一的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，Doug Bailey表示，PI不僅致力于技術(shù)領(lǐng)先，還希望推動氮化鎵技術(shù)成為功率電子行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)。通過與產(chǎn)業(yè)鏈伙伴的合作，PI力求建立技術(shù)規(guī)范，促進(jìn)整個行業(yè)朝著更高效、更可靠的方向發(fā)展。
在全球綠色轉(zhuǎn)型和高效能技術(shù)需求日益增長的背景下，PI的創(chuàng)新與市場戰(zhàn)略將繼續(xù)引領(lǐng)行業(yè)發(fā)展，加速氮化鎵器件的普及，推動全球功率轉(zhuǎn)換技術(shù)邁向更高效、更環(huán)保的未來。
