過(guò)去一些年，功率電子行業(yè)的工程師一直處于一個(gè)非常尷尬的境地，一方面他們無(wú)法在現有空間內繼續提高功率，但同時(shí)又不希望增大設備所需的空間。如果不能增大尺寸，那么只能提高功率密度，而這又需要依賴(lài)半導體技術(shù)，乃至半導體材料的創(chuàng )新。寬帶隙半導體，尤其是基于氮化鎵（GaN）的半導體技術(shù)的出現，為功率系統設計人員提供了針對不同應用需求的更多選擇。
'市場(chǎng)趨勢使然
60多年以來(lái)，硅一直都是電氣產(chǎn)品中的基礎材料，廣泛用于交流電與直流轉換，并調整直流電壓來(lái)滿(mǎn)足從手機到工業(yè)機器人等眾多應用的需求。雖然元器件一直在持續改進(jìn)和優(yōu)化，但物理學(xué)意義上的極限卻是橫亙在硅材料面前的一條無(wú)法逾越的鴻溝。
從“磚頭”手機到笨重的電視機，電源模塊曾經(jīng)在電子電器產(chǎn)品中占據相當大的空間。硅電源技術(shù)領(lǐng)域的創(chuàng )新曾一度大幅縮減了這些應用的尺寸，但卻很難更進(jìn)一步。在現有尺寸規格下，硅材料無(wú)法在所需的頻率下輸出更高的功率。而對于即將推出的5G無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，以及未來(lái)的機器人、可再生能源直至數據中心技術(shù)，功率都是一個(gè)至關(guān)重要的因素。此外，更嚴格的行業(yè)標準也在推動(dòng)電子產(chǎn)品向更高能效和更緊湊的方向發(fā)展，對功率半導體提出了更高功率密度的性能要求。
硅達到其性能極限的窘境，為寬禁帶產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)開(kāi)啟了機會(huì )。寬禁帶產(chǎn)品有出色的性能優(yōu)勢，可以利用高頻實(shí)現高能效、高功率密度。寬禁帶超級結（SJ）產(chǎn)品可以提高工作頻率，使用的范圍更廣。碳化硅（SiC）具有高頻、高功率能力，但頻率范圍比GaN低些，GaN的頻率范圍最高，功率卻相對低些。下圖可以看出各類(lèi)功率器件的頻率、輸出功率范圍及在汽車(chē)中的應用。
GaN可處理更高頻率和更高的功率，與硅器件相比，它可以在尺寸和能耗減半的條件下輸送同等的功率，因此提高了功率密度，有助于設計人員在不增大設計空間的同時(shí)滿(mǎn)足更高的功率要求。
更高的頻率交換意味著(zhù)GaN可以一次轉換更大范圍的功率，減少復雜設計中的功率轉換。由于每次功率轉換都會(huì )產(chǎn)生新的能耗，這對于很多高壓應用是一個(gè)明顯的優(yōu)勢?；贕aN的全新電源和轉換系統功率損耗更低，產(chǎn)生的熱量也更少。由于高溫會(huì )提高運行成本、干擾網(wǎng)絡(luò )信號并誘發(fā)設備故障，這些特性便顯得尤為重要。
GaN技術(shù)的研發(fā)正逐步走向成熟，從研究轉向批量生產(chǎn)是一個(gè)漫長(cháng)的過(guò)程，其中包括對電子工程師的教育。今天，許多技術(shù)壁壘已經(jīng)消除。為了提高產(chǎn)量和降低成本，制造工藝已逐漸優(yōu)化，針對該技術(shù)的特殊的質(zhì)量流程已經(jīng)實(shí)施，并在2017年11月JEDEC組織成立了一個(gè)新的委員會(huì )，為寬禁帶半導體制定了標準（JC- 70），這預示著(zhù)批量生產(chǎn)即將開(kāi)始。
'
新產(chǎn)品如雨后春筍
市場(chǎng)調研機構HIS預計，從現在年到2027年SiC和GaN應用將激增，包括電動(dòng)/混動(dòng)汽車(chē)及充電樁基礎設施、太陽(yáng)能逆變器、電源、工業(yè)電機驅動(dòng)、不間斷電源（UPS）、軍事/航空等應用領(lǐng)域，其中電動(dòng)/混動(dòng)汽車(chē)、太陽(yáng)能逆變器、電源將是主要的應用市場(chǎng)。
最近短短幾個(gè)月，許多廠(chǎng)商都發(fā)布了新的產(chǎn)品。宜普電源轉換公司（EPC）推出了100 V的EPC2051氮化鎵場(chǎng)效應晶體管，其占板面積只是1.1平方毫米、最大導通阻抗為25 mΩ，脈沖輸出電流高達37 A，支持高效功率轉換。此外，低成本的EPC2051與等效硅MOSFET的成本可比。這種器件可用于自動(dòng)駕駛汽車(chē)的激光雷達（LiDAR），快速獲得物體檢測和距離測量方面的環(huán)境信息。得益于其高性能、小尺寸及低成本優(yōu)勢，應用涵蓋運算及通信系統、激光雷達、LED照明及D類(lèi)音頻放大器等應用的48 V輸入電壓的電源轉換器。
英飛凌的氮化鎵解決方案CoolGaN? 600 V增強型HEMT和氮化鎵開(kāi)關(guān)管專(zhuān)用驅動(dòng)IC（GaN EiceDRIVER IC）也已投入量產(chǎn)。它們具備更高功率密度，可實(shí)現更加小巧、輕便的設計，從而降低系統總成本和運行成本，減少資本支出。氮化鎵柵極驅動(dòng)IC可實(shí)現恒定的GaN HEMT開(kāi)關(guān)轉換速率，幾乎不受工作循環(huán)或開(kāi)關(guān)速度影響。這可確保運行穩健性和很高能效，大大縮短研發(fā)周期。英飛凌的產(chǎn)品支持高頻應用，如企業(yè)級超大規模數據中心服務(wù)器、通信整流器、適配器、充電器、SMPS和無(wú)線(xiàn)充電設施等。
GaN Systems在中國的PEAC電力電子會(huì )議上推出了新產(chǎn)品并提供GaN設計專(zhuān)長(cháng)。新的GS-065低電流（4A至11A）GaN Systems產(chǎn)品線(xiàn)，無(wú)需使用分立或集成驅動(dòng)器，使之易于實(shí)現并降低系統成本。這種1kW以下的電源解決方案非常適合許多應用，包括游戲和工作站筆記本電腦AC適配器、電視電源、LED照明和無(wú)線(xiàn)電源系統。新的50W無(wú)線(xiàn)功率放大器擴展了適用于無(wú)線(xiàn)功率傳輸和充電應用的解決方案，包括100 W功率放大器和300 W功率放大器產(chǎn)品，目標是消費、工業(yè)和汽車(chē)市場(chǎng)的低功率應用，如手持電子產(chǎn)品、電動(dòng)工具、玩具、家用、機器人、無(wú)人機和滑板車(chē)。
意法半導體和Leti合作開(kāi)發(fā)了硅基氮化鎵功率開(kāi)關(guān)器件制造技術(shù)。該技術(shù)將能夠滿(mǎn)足高能效、高功率的應用需求，包括混動(dòng)和電動(dòng)汽車(chē)車(chē)載充電器、無(wú)線(xiàn)充電和服務(wù)器。該項目的重點(diǎn)是開(kāi)發(fā)和檢測在200mm晶片上制造的先進(jìn)的硅基氮化鎵功率二極管和晶體管架構。此外，意法半導體還宣布與MACOM合作開(kāi)發(fā)射頻硅基氮化鎵技術(shù)，用于MACOM的各種射頻產(chǎn)品和意法半導體為非電信市場(chǎng)研制的產(chǎn)品。
德州儀器（TI）近日推出支持高達10kW應用的新型即用型600 V氮化鎵50mΩ和70mΩ功率級產(chǎn)品組合。與AC/DC電源、機器人、可再生能源、電網(wǎng)基礎設施、電信和個(gè)人電子應用中的硅場(chǎng)效應晶體管（FET）相比，LMG341x系列使設計人員能夠創(chuàng )建更小、更高效和更高性能的設計。其GaN FET器件通過(guò)集成獨特的功能和保護特性，來(lái)實(shí)現簡(jiǎn)化設計，達到更高的系統可靠性和優(yōu)化高壓電源的性能，為傳統級聯(lián)和獨立的GaN FET提供了智能替代解決方案。通過(guò)集成的<100ns電流限制和過(guò)溫檢測，器件可防止意外的直通事件并防止熱失控，同時(shí)系統接口信號可實(shí)現自我監控功能。
相比之下，雖然我國早在2000年便開(kāi)始了以氮化鎵和碳化硅為代表的寬禁帶半導體電力電子器件的研發(fā)。但我國氮化鎵核心材料、器件原始創(chuàng )新能力仍相對薄弱。當然，目前國內已有少數公司在氮化鎵研究、制造方面取得了一些成果，如蘇州納維科技制造出了氮化鎵襯底晶片，江蘇能華微電子建成了中國首條8英寸氮化鎵芯片生產(chǎn)線(xiàn)。我們希望看到，中國建立起氮化鎵器件研發(fā)和生產(chǎn)的完整產(chǎn)業(yè)鏈。
'未來(lái)應用愿景
今天，尺寸減半、功率翻番的氮化鎵技術(shù)給機器人、可再生能源和電信等領(lǐng)域帶來(lái)了革新。經(jīng)過(guò)多年的研究、實(shí)際驗證和可靠性測試，GaN已開(kāi)始成為解決功率密度問(wèn)題的最佳技術(shù)。有公司在高于硅材料的工作溫度和電壓下，對GaN器件進(jìn)行了2000萬(wàn)小時(shí)的加速可靠性測試，確信GaN工藝、技術(shù)和器件完全合格，而且已經(jīng)具備批量化生產(chǎn)的條件。
我們看到，在一些功率密度為優(yōu)先特性的關(guān)鍵行業(yè)，GaN已經(jīng)開(kāi)始替代硅材料。批量化生產(chǎn)GaN功率模塊的最佳適用行業(yè)包括：制造：利用GaN技術(shù)可更簡(jiǎn)單地將驅動(dòng)和功率轉換組件集成至機器人中，簡(jiǎn)化設計、減少繁冗的布線(xiàn)并降低運行成本；數據中心：有效地將48V電壓一次轉化為大多數計算機硬件所要求的低電壓，提升數據中心的功率效率，大幅降低電源配送損耗并將轉換損耗減少30%。；無(wú)線(xiàn)服務(wù)：大范圍的5G網(wǎng)絡(luò )覆蓋要求運營(yíng)商部署更高功率和運行頻率的設備，GaN的功率密度優(yōu)勢可以滿(mǎn)足他們的需求；可再生能源：GaN能夠以90%的效率轉化10千瓦的可再生能源，這對于電力企業(yè)來(lái)說(shuō)是一個(gè)非常出色的性能基準。
時(shí)至今日，GaN的進(jìn)化仍遠未結束。未來(lái)，GaN將繼續擴展至消費者電子產(chǎn)品等領(lǐng)域，打造更薄的平板顯示器，并減少可充電設備的能源浪費?？梢赃@樣講，如果你只是需要3%或4%的能效提升，可以利用其它很多方法實(shí)現，但是，如果你希望功率密度翻番，那么GaN則是你的優(yōu)先選擇。
聯(lián)系客服
