柵極驅(qū)動(dòng)器正在向更先進(jìn)的電流隔離技術(shù)轉(zhuǎn)移，以滿足性能和安全要求，到2027年，其市場(chǎng)價(jià)值將達(dá)27億美元。柵極驅(qū)動(dòng)器正在進(jìn)入集成電路、智能功率模塊（IPM）和即插即用柵極驅(qū)動(dòng)器板市場(chǎng)，從MOSFET和IGBT走向新的功率半導(dǎo)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(qū)動(dòng)器2022》透露的信息。
柵極驅(qū)動(dòng)器是將控制器的低功率輸入放大以控制（驅(qū)動(dòng)）晶體管的一種電子元件。柵極驅(qū)動(dòng)（或等效）電路設(shè)計(jì)必須提供足夠的驅(qū)動(dòng)電流，才能實(shí)現(xiàn)器件可達(dá)到的全開(kāi)關(guān)速度；沒(méi)有足夠動(dòng)力快速開(kāi)關(guān)的驅(qū)動(dòng)器可能因過(guò)熱而損壞。有人將柵極驅(qū)動(dòng)器視為低壓、低電流與高壓、高電流之間的接口，聽(tīng)起來(lái)既棘手又危險(xiǎn)，但這是對(duì)的，這正是需要隔離的理由。
柵極驅(qū)動(dòng)器市場(chǎng)由節(jié)能降耗驅(qū)動(dòng)
大多數(shù)功率電子應(yīng)用都是由與主要?dú)夂蜃兓瘏f(xié)議相關(guān)的法規(guī)推動(dòng)的，應(yīng)用包括綠色能源生產(chǎn)和高效配送、車輛電氣化和制造業(yè)節(jié)能減排。柵極驅(qū)動(dòng)器是這些行業(yè)運(yùn)行功率轉(zhuǎn)換器時(shí)必不可少的器件。
2021年，柵極驅(qū)動(dòng)器市場(chǎng)價(jià)值17.3億美元，到2026年復(fù)合年增長(zhǎng)率為7.9%，2027年將達(dá)到27億美元，期間增長(zhǎng)率最高的應(yīng)用將是占32%的電動(dòng)汽車（xEV）；最突出的應(yīng)用是電機(jī)驅(qū)動(dòng)，2021年市場(chǎng)份額約為66%。
根據(jù)不同應(yīng)用對(duì)柵極驅(qū)動(dòng)器的需求預(yù)測(cè)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)排名第一，以下依次是家用電器、充電基礎(chǔ)設(shè)施、電信、UPS、汽車、xEV、光伏等。
歐美日企業(yè)壟斷市場(chǎng)
柵極驅(qū)動(dòng)器制造商遍布全球，主要是歐洲、美國(guó)和日本廠商壟斷，不同公司可以根據(jù)需求、目標(biāo)應(yīng)用和產(chǎn)品數(shù)量采用不同的業(yè)務(wù)模型。全球柵極驅(qū)動(dòng)器市場(chǎng)的主要參與者包括安森美、瑞薩電子、意法半導(dǎo)體、Semtech、東芝、ROHM、NXP、德州儀器、英飛凌科技、三菱電機(jī)等。這些領(lǐng)先企業(yè)正在通過(guò)并購(gòu)、區(qū)域擴(kuò)展和協(xié)作等戰(zhàn)略提高市場(chǎng)滲透率，將業(yè)務(wù)擴(kuò)展到新的細(xì)分市場(chǎng)，不斷用新產(chǎn)品擴(kuò)大其產(chǎn)品組合并確保供應(yīng)鏈安全。
由于大部分功率器件是在中國(guó)市場(chǎng)銷售，柵極驅(qū)動(dòng)器緊隨其后，中國(guó)也是國(guó)際領(lǐng)先廠商的主導(dǎo)市場(chǎng)。近年來(lái)，隨著中國(guó)電動(dòng)汽車市場(chǎng)的快速增長(zhǎng)，本地公司，如金升陽(yáng)、納芯微電子，正力圖為自己開(kāi)辟一個(gè)利基市場(chǎng)，不過(guò)車規(guī)器件有一定難度，同時(shí)也引起了市場(chǎng)領(lǐng)導(dǎo)者的關(guān)注。總的感覺(jué)是國(guó)內(nèi)廠商產(chǎn)品種類很少，要么只有IGBT驅(qū)動(dòng)器、IGBT驅(qū)動(dòng)電源和SiC/GaN驅(qū)動(dòng)電源模塊，要么只有基于電容隔離技術(shù)的隔離半橋驅(qū)動(dòng)器和隔離單管驅(qū)動(dòng)器；或者以提供功率器件和模塊為主，并不提供單獨(dú)的柵極驅(qū)動(dòng)器。
再來(lái)看看另一家市場(chǎng)研究公司MarketsandMarkets Research的觀點(diǎn)，2021年亞太地區(qū)的數(shù)字隔離器（下面會(huì)講到）市場(chǎng)份額最大，預(yù)計(jì)將以最高的增長(zhǎng)率增長(zhǎng)，因?yàn)樵摰貐^(qū)電氣設(shè)備制造商很多，數(shù)字隔離器廣泛應(yīng)用于該地區(qū)的柵極驅(qū)動(dòng)器和ADC轉(zhuǎn)換器。中國(guó)是亞太地區(qū)數(shù)字隔離器市場(chǎng)增長(zhǎng)的主要貢獻(xiàn)者，中國(guó)、韓國(guó)和日本的許多電動(dòng)汽車制造商對(duì)零排放汽車的電氣化有前瞻性看法；預(yù)計(jì)到2030年該地區(qū)的數(shù)字隔離器市場(chǎng)將大幅增長(zhǎng)。
該公司認(rèn)為，柵極驅(qū)動(dòng)IC市場(chǎng)正迅速普及，將在混合動(dòng)力汽車、飛機(jī)、測(cè)井、地?zé)岚l(fā)電等高溫環(huán)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(qū)動(dòng)器將其與邏輯單元連接起來(lái)，而靠近電源開(kāi)關(guān)的柵極驅(qū)動(dòng)器對(duì)最小化系統(tǒng)復(fù)雜性表現(xiàn)最佳。
《2022年汽車柵極驅(qū)動(dòng)器市場(chǎng)展望》報(bào)告斷言，隨著各國(guó)終端用戶垂直市場(chǎng)需求復(fù)蘇，汽車柵極驅(qū)動(dòng)器的供應(yīng)量將進(jìn)一步增加。
市場(chǎng)需求分類
傳統(tǒng)柵極驅(qū)動(dòng)器通常需要較大的系統(tǒng)面積和額外組件，如笨重的變壓器或?yàn)V波器、單獨(dú)的PCB和連接器，以實(shí)現(xiàn)EMC合規(guī)性并滿足安規(guī)要求。而采用新技術(shù)工藝的隔離柵極驅(qū)動(dòng)器封裝尺寸小，集成了隔離電源和相關(guān)無(wú)源元件，降低了系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜性和對(duì)額外設(shè)計(jì)資源的需求，特別是有助于設(shè)計(jì)人員充分利用WBG（寬禁帶）開(kāi)關(guān)的小型化和效率優(yōu)勢(shì)。
Yole認(rèn)為，從市場(chǎng)需求看，柵極驅(qū)動(dòng)器市場(chǎng)主要是電平移位柵極驅(qū)動(dòng)器主導(dǎo)，其次是非隔離柵極驅(qū)動(dòng)器；需要更好的隔離時(shí)，光耦是一個(gè)可用的傳統(tǒng)選擇。不過(guò)，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(chǎng)份額。大多數(shù)制造商的產(chǎn)品組合中都有這樣那樣的技術(shù)。而WBG器件的柵極驅(qū)動(dòng)器既需要更好的功能，又有額外的安全要求。未來(lái)，磁耦和電容隔離柵驅(qū)動(dòng)器制造商的機(jī)會(huì)更大。
Yole表示，由于全球新興xEV市場(chǎng)的容量正在大幅增加，從成本角度看，柵極驅(qū)動(dòng)器仍然是一個(gè)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(qū)動(dòng)器IC，而不是柵極驅(qū)動(dòng)器板。
柵極驅(qū)動(dòng)器的適用性取決于芯片內(nèi)部的安全功能、芯片（模塊）內(nèi)部的控制單元，以及電源裝置是否在芯片內(nèi)。而柵極驅(qū)動(dòng)板上的控制單元、電源、控制裝置是與模塊分開(kāi)的。
供應(yīng)鏈整合為哪般？
事實(shí)上，柵極驅(qū)動(dòng)器行業(yè)的并購(gòu)已在悄然進(jìn)行。3月28日，上海貝嶺發(fā)布公告稱，擬以自有資金收購(gòu)深圳矽塔科技100%股權(quán)，交易總價(jià)3.6億元。矽塔科技是一家專注于電機(jī)驅(qū)動(dòng)、電機(jī)控制芯片的模擬數(shù)字混合IC設(shè)計(jì)公司，主要產(chǎn)品有電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片、柵極驅(qū)動(dòng)芯片、霍爾傳感器芯片等。其柵極驅(qū)動(dòng)芯片和電源類產(chǎn)品具有較好的業(yè)務(wù)協(xié)同效應(yīng)，可完善上海貝嶺消費(fèi)類AC-DC高功率密度應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)從控制器到半橋/全橋的芯片國(guó)產(chǎn)化。
5月底，美國(guó)Allegro斥資1.3億美元收購(gòu)法國(guó)隔離柵極驅(qū)動(dòng)器供應(yīng)商Heyday，后者專注于開(kāi)發(fā)緊湊、全集成隔離柵極驅(qū)動(dòng)器，特別是可在高壓GaN和SiC半導(dǎo)體設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換。收購(gòu)除補(bǔ)充Allegro現(xiàn)有電流傳感器能效解決方案，還將顯著擴(kuò)大其在電動(dòng)汽車、太陽(yáng)能逆變器、數(shù)據(jù)中心和5G電源及廣泛的工業(yè)應(yīng)用市場(chǎng)。
Allegro技術(shù)和產(chǎn)品高級(jí)副總裁Michael Doogue表示：“憑借我們市場(chǎng)領(lǐng)先的集成電流傳感器和Heyday的專利Power-ThruTM技術(shù)，我們的客戶能夠構(gòu)建當(dāng)前可用的一些最小的高壓和高效電力系統(tǒng)。”
Heyday開(kāi)發(fā)的“革命性專利技術(shù)Power-Thru的SiC器件柵極驅(qū)動(dòng)器”在2020年11月獲得了歐洲創(chuàng)新委員會(huì)的融資。其優(yōu)勢(shì)是使用單個(gè)小尺寸封裝，集成隔離柵極驅(qū)動(dòng)器、隔離電源和相關(guān)無(wú)源元件，減少系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)間和復(fù)雜性。
為什么磁隔離是主流？
常見(jiàn)的電流隔離技術(shù)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(duì)外部電子或磁場(chǎng)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(yōu)點(diǎn)是速度高，可以給隔離端供電，但傳統(tǒng)變壓器體積較大。近年來(lái)，采用芯片級(jí)變壓器的磁隔離嶄露頭角，如ADI開(kāi)發(fā)的專利隔離技術(shù)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(yōu)于光耦，壽命與其他CMOS器件相同。iCoupler? 是數(shù)字隔離IC加μModule BGA的數(shù)字隔離技術(shù)，單片變壓器可在不犧牲共模瞬變抗擾度（CMTI）的情況下實(shí)現(xiàn)超低傳播延遲。
容耦采用高頻信號(hào)調(diào)制解調(diào)以電場(chǎng)形式將輸入信號(hào)通過(guò)電容隔離后傳輸出去，信號(hào)跟隨特性好，抗EMI干擾能力也很好；與光耦相比，其傳輸時(shí)延短，器件一致性好，壽命長(zhǎng)。容耦的不足在于低頻特性差，不能放大變化緩慢的信號(hào)，且在IC中集成大容量電容很困難。
Heyday的柵極驅(qū)動(dòng)器采用高效調(diào)制解調(diào)、抗磁性寄生、智能能源管理、高效磁芯復(fù)位等技術(shù)，以驚人的效率和速度將能量和信息引導(dǎo)到微小的磁邊界上。另外就是簡(jiǎn)潔的封裝設(shè)計(jì)，第一批三款產(chǎn)品均采用著名的LGA封裝。其開(kāi)發(fā)三款產(chǎn)品就被收購(gòu)的確并不多見(jiàn)。
目前，Heyday已經(jīng)與英諾賽科、GaN Systems等領(lǐng)先的氮化鎵功率器件企業(yè)達(dá)成合作。所實(shí)現(xiàn)的氮化鎵驅(qū)動(dòng)方案優(yōu)化了布局，不需要自舉電路或浮動(dòng)電源電路即可提供隔離功能，具有體積和成本效益。
多年來(lái)，人們一直認(rèn)為磁隔離是傳遞能量的有效方式。但是，通過(guò)一個(gè)足夠小的磁性元件來(lái)有效地獲取所需的驅(qū)動(dòng)能量和信息，以適應(yīng)半導(dǎo)體大小的封裝的確難度很大。Heyday用單路徑隔離邊界將驅(qū)動(dòng)信息和驅(qū)動(dòng)能量從低壓控制電路傳輸?shù)礁邏合到y(tǒng)開(kāi)關(guān)電路，不僅承載柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)信息，還承載驅(qū)動(dòng)外部FET開(kāi)關(guān)所需的所有驅(qū)動(dòng)功率。系統(tǒng)設(shè)計(jì)者現(xiàn)在可以像低側(cè)FET一樣輕松地隔離驅(qū)動(dòng)高側(cè)FET。另一個(gè)好處是產(chǎn)品封裝更簡(jiǎn)單，體積更小，具有高效的電氣和物理性能。
另一個(gè)采用磁耦合技術(shù)的范例是PI基于PowiGaN技術(shù)開(kāi)發(fā)系列產(chǎn)品，Power Integrations（PI）專有的高速FluxLink磁耦合技術(shù)可以取代傳統(tǒng)光耦和隔離變壓器檢測(cè)繞組，實(shí)現(xiàn)±3%的高精度輸入電壓和負(fù)載綜合調(diào)整率，具有高集成、高效率、高可靠性和超長(zhǎng)使用壽命。該產(chǎn)品一經(jīng)推出，便獲得了客戶的一致好評(píng)，至今已基于PowiGaN的InnoSwitch3開(kāi)關(guān)電源IC出貨量已超過(guò)500萬(wàn)片，成為市場(chǎng)上率先大批量成功使用的高壓GaN技術(shù)。PowiGaN系列產(chǎn)品不僅在手機(jī)快充領(lǐng)域獲得了成功，也已開(kāi)始進(jìn)入400V和800V母線電壓的電動(dòng)汽車應(yīng)用，既可以提高效率，又能減輕汽車的重量延長(zhǎng)續(xù)航里程。
是一招鮮，還是吃遍天？
如果上海貝嶺的并購(gòu)是為了實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品配套，那Allegro的并購(gòu)就是為了技術(shù)升級(jí)，而PI更是通過(guò)自研在其5個(gè)系列產(chǎn)品中使用了同一個(gè)FluxLink磁耦合隔離技術(shù)。分析一下，應(yīng)該是柵極驅(qū)動(dòng)技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)使然。驅(qū)動(dòng)FET（包括MOSFET）有幾個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)，無(wú)論是GaN、MOS還是SiC開(kāi)關(guān)器件都是如此。
首先是復(fù)雜性，簡(jiǎn)單的方法往往是最好的解決方案，使柵極驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單是一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)，也是最大的挑戰(zhàn)。在設(shè)計(jì)柵極驅(qū)動(dòng)器時(shí)，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(shù)量才能降低復(fù)雜性。
其次是共模瞬變抗擾度（CMTI），不言而喻，近年來(lái)上述所有開(kāi)關(guān)類型都在提高轉(zhuǎn)換速度。因此，如果無(wú)法滿足柵極驅(qū)動(dòng)器的共模瞬態(tài)抗擾度要求，將意味著FET柵極的意外轉(zhuǎn)換和系統(tǒng)潛在的災(zāi)難性事件。
第三是傳播時(shí)間，為任何器件的柵極傳輸可靠的柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)和能量是柵極驅(qū)動(dòng)器的第一要?jiǎng)?wù)，而以較低的傳播時(shí)間將其從系統(tǒng)控制器傳輸?shù)紽ET柵極才是關(guān)鍵。低傳播時(shí)間有助于在功率FET的開(kāi)啟和關(guān)閉周期之間進(jìn)行更緊密、更容易的“死區(qū)”管理，有助于設(shè)計(jì)者提高系統(tǒng)效率。
第四是EMI，它是系統(tǒng)設(shè)計(jì)最后要考慮的事情，同樣會(huì)使完成設(shè)計(jì)變得困難和耗時(shí)。減少柵極驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)中的周圍組件和電路有助于顯著減少系統(tǒng)EMI挑戰(zhàn)，因?yàn)楣材ｋ娙荩–cm）較低，就可以減少循環(huán)電流，易于處理系統(tǒng)EMI問(wèn)題。
Heyday用Power-Thru? 隔離技術(shù)解決了這些問(wèn)題，形成了一條適合最具挑戰(zhàn)性設(shè)計(jì)和應(yīng)用的隔離柵極驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)品線。
值得一提的是，磁隔離可以在低成本條件下實(shí)現(xiàn)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(duì)其情有獨(dú)鐘，其EiceDRIVER? 柵極驅(qū)動(dòng)器就有500多種，基本覆蓋了各種應(yīng)用。其中隔離型驅(qū)動(dòng)芯片采用磁耦合無(wú)鐵芯變壓器（CT）技術(shù)來(lái)保證電氣隔離時(shí)的信號(hào)傳輸，適用于MOSFET、IGBT、IGBT模塊、SiC MOSFET和GaN HEMT。
基于功率器件和應(yīng)用的種類，EiceDRIVER? 隔離柵極驅(qū)動(dòng)器提供短路保護(hù)、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(hù)、較寬輸出側(cè)電源范圍、負(fù)柵極電壓能力、軟關(guān)斷、兩電平關(guān)斷和強(qiáng)大的耐用性；也可提供高達(dá)10A的強(qiáng)大柵極驅(qū)動(dòng)電流，實(shí)現(xiàn)出色的電源開(kāi)關(guān)效率。這種“吃遍天”的優(yōu)勢(shì)只有幾家頭部企業(yè)才具備。
WBG柵極驅(qū)動(dòng)器將引領(lǐng)市場(chǎng)
未來(lái)十年，功率電子主要驅(qū)動(dòng)力主要來(lái)自以下方面：自動(dòng)駕駛、從產(chǎn)品到服務(wù)、電氣化（電池化）、智能解決方案、柔性模塊化系統(tǒng)、互連全球解決方案、自動(dòng)化與綠色制造、清潔能源和提高效率。
在電動(dòng)汽車和綠色能源引領(lǐng)下，GaN和SiC功率器件有望在電動(dòng)汽車和綠色能源應(yīng)用中迅速獲得市場(chǎng)份額。客戶對(duì)簡(jiǎn)化電源管理解決方案的需求將呈指數(shù)增長(zhǎng)，而高壓隔離柵極驅(qū)動(dòng)器是未來(lái)高效電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一項(xiàng)基本支持技術(shù)。因此，一些頭部公司都在加大在WBG領(lǐng)域的投入。
相比硅器件，SiC MOSFET和GaN HEMT優(yōu)勢(shì)明顯，但是也對(duì)柵極驅(qū)動(dòng)器提出了更嚴(yán)格的要求，尤其是新能源汽車應(yīng)用方案，可靠性更為關(guān)鍵。因此，WBG器件和模塊的普及需要開(kāi)發(fā)更多驅(qū)動(dòng)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(lái)！
