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寬禁帶半導體柵極驅動的未來:要么一招鮮,要么吃遍天!

柵極驅動器正在向更先進的電流隔離技術轉移,以滿足性能和安全要求,到2027年,其市場價值將達27億美元。柵極驅動器正在進入集成電路、智能功率模塊(IPM)和即插即用柵極驅動器板市場,從MOSFET和IGBT走向新的功率半導體材料器件,如碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)。這是Yole Développement(Yole)《功率柵極驅動器2022》透露的信息。

柵極驅動器是將控制器的低功率輸入放大以控制(驅動)晶體管的一種電子元件。柵極驅動(或等效)電路設計必須提供足夠的驅動電流,才能實現器件可達到的全開關速度;沒有足夠動力快速開關的驅動器可能因過熱而損壞。有人將柵極驅動器視為低壓、低電流與高壓、高電流之間的接口,聽起來既棘手又危險,但這是對的,這正是需要隔離的理由。


柵極驅動器市場由節能降耗驅動

大多數功率電子應用都是由與主要氣候變化協議相關的法規推動的,應用包括綠色能源生產和高效配送、車輛電氣化和制造業節能減排。柵極驅動器是這些行業運行功率轉換器時必不可少的器件。

2021年,柵極驅動器市場價值17.3億美元,到2026年復合年增長率為7.9%,2027年將達到27億美元,期間增長率最高的應用將是占32%的電動汽車(xEV);最突出的應用是電機驅動,2021年市場份額約為66%。

根據不同應用對柵極驅動器的需求預測,電機驅動排名第一,以下依次是家用電器、充電基礎設施、電信、UPS、汽車、xEV、光伏等。

歐美日企業壟斷市場

柵極驅動器制造商遍布全球,主要是歐洲、美國和日本廠商壟斷,不同公司可以根據需求、目標應用和產品數量采用不同的業務模型。全球柵極驅動器市場的主要參與者包括安森美、瑞薩電子、意法半導體、Semtech、東芝、ROHM、NXP、德州儀器、英飛凌科技、三菱電機等。這些領先企業正在通過并購、區域擴展和協作等戰略提高市場滲透率,將業務擴展到新的細分市場,不斷用新產品擴大其產品組合并確保供應鏈安全。

由于大部分功率器件是在中國市場銷售,柵極驅動器緊隨其后,中國也是國際領先廠商的主導市場。近年來,隨著中國電動汽車市場的快速增長,本地公司,如金升陽、納芯微電子,正力圖為自己開辟一個利基市場,不過車規器件有一定難度,同時也引起了市場領導者的關注??偟母杏X是國內廠商產品種類很少,要么只有IGBT驅動器、IGBT驅動電源和SiC/GaN驅動電源模塊,要么只有基于電容隔離技術的隔離半橋驅動器和隔離單管驅動器;或者以提供功率器件和模塊為主,并不提供單獨的柵極驅動器。

再來看看另一家市場研究公司MarketsandMarkets Research的觀點,2021年亞太地區的數字隔離器(下面會講到)市場份額最大,預計將以最高的增長率增長,因為該地區電氣設備制造商很多,數字隔離器廣泛應用于該地區的柵極驅動器和ADC轉換器。中國是亞太地區數字隔離器市場增長的主要貢獻者,中國、韓國和日本的許多電動汽車制造商對零排放汽車的電氣化有前瞻性看法;預計到2030年該地區的數字隔離器市場將大幅增長。

該公司認為,柵極驅動IC市場正迅速普及,將在混合動力汽車、飛機、測井、地熱發電等高溫環境的功率電子電路中起到重要控制作用。SiC或GaN功率器件需要柵極驅動器將其與邏輯單元連接起來,而靠近電源開關的柵極驅動器對最小化系統復雜性表現最佳。

《2022年汽車柵極驅動器市場展望》報告斷言,隨著各國終端用戶垂直市場需求復蘇,汽車柵極驅動器的供應量將進一步增加。

市場需求分類

傳統柵極驅動器通常需要較大的系統面積和額外組件,如笨重的變壓器或濾波器、單獨的PCB和連接器,以實現EMC合規性并滿足安規要求。而采用新技術工藝的隔離柵極驅動器封裝尺寸小,集成了隔離電源和相關無源元件,降低了系統設計復雜性和對額外設計資源的需求,特別是有助于設計人員充分利用WBG(寬禁帶)開關的小型化和效率優勢。

Yole認為,從市場需求看,柵極驅動器市場主要是電平移位柵極驅動器主導,其次是非隔離柵極驅動器;需要更好的隔離時,光耦是一個可用的傳統選擇。不過,隨著更高的性能和效率要求,磁耦和電容隔離正在獲得市場份額。大多數制造商的產品組合中都有這樣那樣的技術。而WBG器件的柵極驅動器既需要更好的功能,又有額外的安全要求。未來,磁耦和電容隔離柵驅動器制造商的機會更大。

 Yole表示,由于全球新興xEV市場的容量正在大幅增加,從成本角度看,柵極驅動器仍然是一個更有效的解決方案。安裝在主板或微控制器(MCU)旁邊的牽引逆變器,首選使用柵極驅動器IC,而不是柵極驅動器板。

柵極驅動器的適用性取決于芯片內部的安全功能、芯片(模塊)內部的控制單元,以及電源裝置是否在芯片內。而柵極驅動板上的控制單元、電源、控制裝置是與模塊分開的。

供應鏈整合為哪般?

事實上,柵極驅動器行業的并購已在悄然進行。3月28日,上海貝嶺發布公告稱,擬以自有資金收購深圳矽塔科技100%股權,交易總價3.6億元。矽塔科技是一家專注于電機驅動、電機控制芯片的模擬數字混合IC設計公司,主要產品有電機驅動芯片、柵極驅動芯片、霍爾傳感器芯片等。其柵極驅動芯片和電源類產品具有較好的業務協同效應,可完善上海貝嶺消費類AC-DC高功率密度應用,實現從控制器到半橋/全橋的芯片國產化。

5月底,美國Allegro斥資1.3億美元收購法國隔離柵極驅動器供應商Heyday,后者專注于開發緊湊、全集成隔離柵極驅動器,特別是可在高壓GaN和SiC半導體設計中實現能量轉換。收購除補充Allegro現有電流傳感器能效解決方案,還將顯著擴大其在電動汽車、太陽能逆變器、數據中心和5G電源及廣泛的工業應用市場。

Allegro技術和產品高級副總裁Michael Doogue表示:“憑借我們市場領先的集成電流傳感器和Heyday的專利Power-ThruTM技術,我們的客戶能夠構建當前可用的一些最小的高壓和高效電力系統?!?/p>

Heyday開發的“革命性專利技術Power-Thru的SiC器件柵極驅動器”在2020年11月獲得了歐洲創新委員會的融資。其優勢是使用單個小尺寸封裝,集成隔離柵極驅動器、隔離電源和相關無源元件,減少系統設計時間和復雜性。

為什么磁隔離是主流?

常見的電流隔離技術有三種:光耦隔離、磁隔離(變壓器)和電容隔離。光耦隔離電壓比較高,具有對外部電子或磁場的抗擾性,恒定信息傳輸能力好,不足是速度限制、功耗和老化。

磁隔離的優點是速度高,可以給隔離端供電,但傳統變壓器體積較大。近年來,采用芯片級變壓器的磁隔離嶄露頭角,如ADI開發的專利隔離技術iCoupler? 采用芯片尺寸變壓器,在功耗、體積、集成度、速度等各方面都優于光耦,壽命與其他CMOS器件相同。iCoupler? 是數字隔離IC加μModule BGA的數字隔離技術,單片變壓器可在不犧牲共模瞬變抗擾度(CMTI)的情況下實現超低傳播延遲。


 容耦采用高頻信號調制解調以電場形式將輸入信號通過電容隔離后傳輸出去,信號跟隨特性好,抗EMI干擾能力也很好;與光耦相比,其傳輸時延短,器件一致性好,壽命長。容耦的不足在于低頻特性差,不能放大變化緩慢的信號,且在IC中集成大容量電容很困難。

Heyday的柵極驅動器采用高效調制解調、抗磁性寄生、智能能源管理、高效磁芯復位等技術,以驚人的效率和速度將能量和信息引導到微小的磁邊界上。另外就是簡潔的封裝設計,第一批三款產品均采用著名的LGA封裝。其開發三款產品就被收購的確并不多見。

目前,Heyday已經與英諾賽科、GaN Systems等領先的氮化鎵功率器件企業達成合作。所實現的氮化鎵驅動方案優化了布局,不需要自舉電路或浮動電源電路即可提供隔離功能,具有體積和成本效益。

多年來,人們一直認為磁隔離是傳遞能量的有效方式。但是,通過一個足夠小的磁性元件來有效地獲取所需的驅動能量和信息,以適應半導體大小的封裝的確難度很大。Heyday用單路徑隔離邊界將驅動信息和驅動能量從低壓控制電路傳輸到高壓系統開關電路,不僅承載柵極驅動信號信息,還承載驅動外部FET開關所需的所有驅動功率。系統設計者現在可以像低側FET一樣輕松地隔離驅動高側FET。另一個好處是產品封裝更簡單,體積更小,具有高效的電氣和物理性能。

另一個采用磁耦合技術的范例是PI基于PowiGaN技術開發系列產品,Power Integrations(PI)專有的高速FluxLink磁耦合技術可以取代傳統光耦和隔離變壓器檢測繞組,實現±3%的高精度輸入電壓和負載綜合調整率,具有高集成、高效率、高可靠性和超長使用壽命。該產品一經推出,便獲得了客戶的一致好評,至今已基于PowiGaN的InnoSwitch3開關電源IC出貨量已超過500萬片,成為市場上率先大批量成功使用的高壓GaN技術。PowiGaN系列產品不僅在手機快充領域獲得了成功,也已開始進入400V和800V母線電壓的電動汽車應用,既可以提高效率,又能減輕汽車的重量延長續航里程。

是一招鮮,還是吃遍天?

如果上海貝嶺的并購是為了實現產品配套,那Allegro的并購就是為了技術升級,而PI更是通過自研在其5個系列產品中使用了同一個FluxLink磁耦合隔離技術。分析一下,應該是柵極驅動技術面臨的挑戰使然。驅動FET(包括MOSFET)有幾個關鍵挑戰,無論是GaN、MOS還是SiC開關器件都是如此。

首先是復雜性,簡單的方法往往是最好的解決方案,使柵極驅動簡單是一個關鍵優勢,也是最大的挑戰。在設計柵極驅動器時,繁瑣的附加組件、隔離電源和管理所有這些器件都很困難。減少組件數量才能降低復雜性。

其次是共模瞬變抗擾度(CMTI),不言而喻,近年來上述所有開關類型都在提高轉換速度。因此,如果無法滿足柵極驅動器的共模瞬態抗擾度要求,將意味著FET柵極的意外轉換和系統潛在的災難性事件。

第三是傳播時間,為任何器件的柵極傳輸可靠的柵極驅動信號和能量是柵極驅動器的第一要務,而以較低的傳播時間將其從系統控制器傳輸到FET柵極才是關鍵。低傳播時間有助于在功率FET的開啟和關閉周期之間進行更緊密、更容易的“死區”管理,有助于設計者提高系統效率。

第四是EMI,它是系統設計最后要考慮的事情,同樣會使完成設計變得困難和耗時。減少柵極驅動設計中的周圍組件和電路有助于顯著減少系統EMI挑戰,因為共模電容(Ccm)較低,就可以減少循環電流,易于處理系統EMI問題。

Heyday用Power-Thru? 隔離技術解決了這些問題,形成了一條適合最具挑戰性設計和應用的隔離柵極驅動器產品線。

 值得一提的是,磁隔離可以在低成本條件下實現多通道及其他功能的集成。因此,像英飛凌這樣的大廠也是對其情有獨鐘,其EiceDRIVER? 柵極驅動器就有500多種,基本覆蓋了各種應用。其中隔離型驅動芯片采用磁耦合無鐵芯變壓器(CT)技術來保證電氣隔離時的信號傳輸,適用于MOSFET、IGBT、IGBT模塊、SiC MOSFET和GaN HEMT。

基于功率器件和應用的種類,EiceDRIVER? 隔離柵極驅動器提供短路保護、精確的輸入濾波器、100 kV/μs共模瞬變抗擾度、有源米勒鉗位、退飽和(DESAT)保護、較寬輸出側電源范圍、負柵極電壓能力、軟關斷、兩電平關斷和強大的耐用性;也可提供高達10A的強大柵極驅動電流,實現出色的電源開關效率。這種“吃遍天”的優勢只有幾家頭部企業才具備。

 WBG柵極驅動器將引領市場

未來十年,功率電子主要驅動力主要來自以下方面:自動駕駛、從產品到服務、電氣化(電池化)、智能解決方案、柔性模塊化系統、互連全球解決方案、自動化與綠色制造、清潔能源和提高效率。

 在電動汽車和綠色能源引領下,GaN和SiC功率器件有望在電動汽車和綠色能源應用中迅速獲得市場份額??蛻魧喕娫垂芾斫鉀Q方案的需求將呈指數增長,而高壓隔離柵極驅動器是未來高效電源系統設計的一項基本支持技術。因此,一些頭部公司都在加大在WBG領域的投入。

相比硅器件,SiC MOSFET和GaN HEMT優勢明顯,但是也對柵極驅動器提出了更嚴格的要求,尤其是新能源汽車應用方案,可靠性更為關鍵。因此,WBG器件和模塊的普及需要開發更多驅動芯片,特別是具有特定安全和性能要求的更完整的解決方案。

賽道就在眼前,而贏家必須是有備而來!


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