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应用扩展，氮化镓（GaN）加速挖金储能赛道
发布时间：
2024-02-29 00:00
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概要：
如今，各行各业都在追求“效率”、“能效”，更高的效率意味着更高的功率密度，与此同时，未来人们对电力资源的依赖性将大幅上升，消耗量也将随之增长。因此，发展高效率的功率开关器件，降低电能在产生、传输等各环节的损耗，是社会经济向节能、环保、绿色发展转变的必然趋
如今，各行各业都在追求“效率”、“能效”，更高的效率意味着更高的功率密度，与此同时，未来人们对电力资源的依赖性将大幅上升，消耗量也将随之增长。因此，发展高效率的功率开关器件，降低电能在产生、传输等各环节的损耗，是社会经济向节能、环保、绿色发展转变的必然趋势。
氮化镓（GaN），作为第三代半导体材料，具备超越硅材料理论性能极限的能力，能够应对市场对低功耗、高功率密度、环境友好型功率半导体的日益增长的需求，是当下热门的技术，在资本市场备受青睐。
第三代半导体材料——氮化镓（GaN）
氮化镓（GaN）是一种宽禁带半导体材料，禁带宽度达到3.4eV，这一特性使得GaN器件在电子达到饱和漂移速度方面表现出色，从而实现更快的开关速度和更低的开关损耗。
其次，氮化镓的电子迁移率高达2000cm²/Vs，超越了砷化镓（GaAs）和硅（Si）的相应数值，这一优势意味着在高频应用中，氮化镓能够提供更高的电子速率和更低的传输损耗，同时器件尺寸也更为小型化、轻量化。
尽管氮化镓的热导率略低于硅，但其热管理优势为高功率电子产品提供了新的发展方向，GaN器件能够在更高的功率下运行，并且能够迅速有效地分散热量，从而保持器件的热稳定性。
低功率产品是氮化镓产业的起点，但大功率却是氮化镓的优势和重点所在。目前，氮化镓功率器件的应用正从红海竞争中的低功率消费电子转向中大功率储能、家电、电动工具等，并逐步向ICT（通讯基站、服务器/区块链）、新能源、光伏、电力等工业场景延伸。
氮化镓（GaN）与储能
2023年以来，随着技术的成熟，氮化镓的应用领域从手机快充快速扩展到数据中心、通信电源、光伏逆变器及电动车领域，新能源汽车、光伏以及储能的高速发展为氮化镓在大功率场景应用铺平了道路。
太阳能光伏微逆：对于太阳能和风能等可再生能源发电系统而言，基于GaN的逆变器可以同时应用在低压侧和高压侧，以及更高的频率下运行，从而实现更小、更轻的系统。数据显示，由于开关损耗小，GaN方案可以比硅器件方案效率高0.5%-1%，从而提高发电量，并在同样的体积下，GaN方案有机会实现一倍以上的功率，从而降低系统的成本。
户外电源：与传统户外电源相比，GaN户外电源可以在提高户外电源的寿命和可靠性的同时，降低电源体积，方便携带。GaN在储能领域的优势正在得到终端用户的认可，如2023年11月，移族在国内外多个电商平台上架墨M2000户外电源，采用氮化镓半导体，效率最高点为96%。
超级电容器：氮化镓在超级电容器领域的应用主要集中于提高电容器的效能和效率。使用氮化镓的超级电容器可以用于快速充电设备，例如手机或电动汽车的充电设备。氮化镓的高效率和低热损失特性可以帮助这些充电设备更快、更高效完成作业，同时减少能量损耗。2023年4月，国内最大的充电桩运营商特来电携手德州仪器在直流充电设备、交流充电设备以及功率分配单元（PDU）等领域进行了密切合作。德州仪器提供了基于GaN FET以及专门针对SiC FET的智能驱动解决方案，以帮助实现更高的充电桩功率密度。同年8月，倍思发布了星云系列交流充电桩，将GaN氮化镓技术引入家用充电桩。2024年1月，英飞凌和欧姆龙合作在日本推出V2X GaN充电桩。
固态电池：氮化镓作为电极材料，可以提高固态电池的充放电效率。由于其优良的电导性和电子迁移率，氮化镓可以促进电子在电池内的快速移动，从而加快充电速度并提高放电效率。此外，由于氮化镓具有高能量密度的特性，它可以帮助减少固态电池的体积和重量。这对于需要轻便电源的应用领域优势显著，如便携式电子产品和无人机。
值得一提的是，国内外越来越多的企业开始涉足氮化镓产业，从原材料的供应、设备制造、氮化镓器件的研发到应用领域的推广等各方面都在加强，特别是在储能领域，资本云集。例如2024年1月，户外储能品牌移族完成数千万元天使轮融资。此前，该公司就曾获得由珠海超能、珠海鹰族、深圳万物为等投资的种子轮融资。2023年4月27日，合肥光电半导体产业技术研究院举行启动仪式，并面向氮化镓HEMT功率器件的研发及产业化、面向储能和充电桩领域的GaN高功率器件应用等项目进行集中签约。
在过去的一年里，由于外延技术的不断突破，在氮化镓外延片的生产成本大幅降低，从而不断接近硅的成本。因此，氮化镓领域在降本增效取得了长足发展。 然而，氮化镓技术仍处于发展阶段，需要进一步提高技术成熟度，解决生产成本高、可靠性不稳定等问题。并且，GaN市场渗透率较低，需要各企业积极对接下游客户，探索氮化镓器件在各个领域的应用，特别是高频率、高效率和高功率密度等应用领域，以此提高市场需求。
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