近年來(lái)，隨著新能源汽車(chē)、光伏產(chǎn)業(yè)等的發(fā)展，電力電子形成了前所未有的發(fā)展態(tài)勢(shì)。以碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）為代表的新型寬禁帶（WBG）半導(dǎo)體技術(shù)取得了重大進(jìn)展，在提高功率轉(zhuǎn)換效率方面扮演著越來(lái)越重要的角色。
IHS數(shù)據(jù)預(yù)計(jì)，GaN功率器件市場(chǎng)復(fù)合增速高達(dá)30%，到2027年將超過(guò)10億美元。通信、汽車(chē)、工業(yè)市場(chǎng)是GaN功率器件的主要驅(qū)動(dòng)力。
GaN的主要增長(zhǎng)點(diǎn)在于移動(dòng)快充、無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施電源、PFC（功率因數(shù)校正）、無(wú)線通信、高頻激光雷達(dá)和無(wú)線充電領(lǐng)域。未來(lái)五年，GaN的應(yīng)用場(chǎng)景將擴(kuò)大到5G基站、新能源汽車(chē)、特高壓、數(shù)據(jù)中心等。
今天，來(lái)看看那些致力于GaN研究和應(yīng)用的半導(dǎo)體行業(yè)大咖發(fā)表的一些真知灼見(jiàn)。
新拓?fù)鋸氐赘淖兞丝焖俪潆?/span>
Navitas Semiconductor市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)和投資者關(guān)系副總裁Stephen Oliver認(rèn)為，GaN的出現(xiàn)滿足了移動(dòng)通信需求，實(shí)現(xiàn)了新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，徹底改變了快速充電格局。
他說(shuō)，智能手機(jī)的屏幕尺寸和電池容量在10年內(nèi)增加了3倍多。為獲得更快的充電速度，OEM已經(jīng)開(kāi)始采用GaN充電器作為附件和“機(jī)箱內(nèi)”選項(xiàng)。
Navitas Semiconductor市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)和投資者關(guān)系副總裁Stephen Oliver認(rèn)為，GaN的出現(xiàn)滿足了移動(dòng)通信需求，實(shí)現(xiàn)了新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，徹底改變了快速充電格局。
他說(shuō)，智能手機(jī)的屏幕尺寸和電池容量在10年內(nèi)增加了3倍多。為獲得更快的充電速度，OEM已經(jīng)開(kāi)始采用GaN充電器作為附件和“機(jī)箱內(nèi)”選項(xiàng)。
智能手機(jī)屏幕、電池和5G功能的增加以及數(shù)據(jù)處理和傳輸速率和容量的增強(qiáng)，使人們開(kāi)始關(guān)注充電速度及旅行適配器的尺寸、重量和成本。同時(shí)，引入單一、靈活的充電平臺(tái)（硬件和軟件），即帶電源傳輸（USB-PD）的通用串行總線“C型”連接器（USB-C）或可編程電源（PPS），意味著消費(fèi)者不再依賴于一個(gè)OEM的電源產(chǎn)品?，F(xiàn)在，用戶可以選擇一個(gè)充電器，為其16英寸MacBook Pro充電，還可以為手機(jī)或耳塞安全快速地供電。
1996年以來(lái)，學(xué)術(shù)界就提出了有源箝位反激（ACF）等高速拓?fù)?，但由于硅的不良?dǎo)通狀態(tài)和開(kāi)關(guān)柵極電荷、性能加上復(fù)雜性和缺乏優(yōu)化控制IC而受挫。2018年初，GaN功率IC的推出結(jié)束了這種局面，不僅使ACF具備了商業(yè)可行性，而且實(shí)現(xiàn)了智能手機(jī)充電器的高頻準(zhǔn)諧振反激式充電，使用于游戲筆記本電腦、一體式PC、電視和5G發(fā)射單元電源等的更高功率系統(tǒng)的CrCM boost PFC、高速LLC和行進(jìn)CrCM圖騰柱PFC等拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具備了商業(yè)可行性。
在一個(gè)貼片封裝中，GaN IC集成了GaN功率場(chǎng)效應(yīng)管（FET）和GaN驅(qū)動(dòng)加控制和保護(hù)。這些GaNFast功率IC成為易于使用、高速、高性能的“數(shù)字輸入、電源輸出”構(gòu)建塊。集成使其關(guān)斷時(shí)幾乎沒(méi)有損耗，因?yàn)闁艠O驅(qū)動(dòng)回路基本上沒(méi)有阻抗。此外，還可以根據(jù)特定應(yīng)用要求控制和定制開(kāi)啟性能。
其結(jié)果是，GaN功率IC在同等體積和重量上比老式硅設(shè)計(jì)快了3倍，并已被戴爾、聯(lián)想和小米等一級(jí)OEM用于智能手機(jī)和筆記本電腦的快速充電。
尺寸方面，傳統(tǒng)拓?fù)溆芯€繞變壓器（通常超過(guò)20毫米）加大型電解電容器， 50W迷你充電器采用400kHz頻率，8毫米平面變壓器，沒(méi)有電解電容器，尺寸還不到舊的硅版本的一半。
GaN重新定義功率轉(zhuǎn)換
Efficient Power Conversion的CEO Alex Lidow博士回顧道，GaN功率器件已經(jīng)生產(chǎn)了十多年。除了性能的提高，GaN技術(shù)影響功率轉(zhuǎn)換市場(chǎng)最重要的機(jī)會(huì)來(lái)自于同一襯底上集成多個(gè)器件的能力。這種能力將使單片電源系統(tǒng)以更直接、更高效、更經(jīng)濟(jì)的方式設(shè)計(jì)在單個(gè)芯片上。
他說(shuō)，在12V輸入、12V輸出降壓轉(zhuǎn)換器中，GaN分立器件和GaN單片半橋的性能有很大不同。
GaN基IC經(jīng)歷了不同的集成階段，從純分立器件到單片半橋器件，再到包含其自身單片集成驅(qū)動(dòng)器的功率場(chǎng)效應(yīng)管，最近又發(fā)展到包含功率場(chǎng)效應(yīng)管、驅(qū)動(dòng)器、電平轉(zhuǎn)換電路、邏輯和保護(hù)的全單片功率級(jí)。
第一階段是整體半橋，大約六年前開(kāi)始研發(fā)。第一個(gè)IC器件將高側(cè)和低側(cè)晶體管放在一個(gè)襯底上。集成的優(yōu)點(diǎn)包括減小尺寸和成本，由于兩個(gè)晶體管的緊密耦合，寄生共源電感也減小了。此外，提高開(kāi)關(guān)速度的優(yōu)點(diǎn)使得開(kāi)關(guān)功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)更快、更有效，同時(shí)減小的功率回路電感降低了開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)處的電壓過(guò)沖和EMI。
出于多種原因，集成解決方案的效率高得多。第一個(gè)原因，功率回路電感已從約400pH降到約200pH。第二個(gè)原因，在非對(duì)稱降壓轉(zhuǎn)換器中，高壓側(cè)器件或控制器往往比低壓側(cè)器件更熱。當(dāng)這兩個(gè)器件放在同一個(gè)芯片上時(shí)，其熱平衡可以達(dá)到較低的峰值溫度，總體效率較高。
第二階段是eGaN FET加驅(qū)動(dòng)器。在GaN中，柵極和漏極之間的距離很大程度上決定器件能夠承受的電壓。縮小這個(gè)距離可以制造出更小的器件，這也使非常簡(jiǎn)單的低壓邏輯和模擬器件能夠與高功率高壓器件放在同一個(gè)芯片上。
第三階段是ePower級(jí)。2019年初，驅(qū)動(dòng)功能和單片半橋與電平移位器、同步升壓電路、保護(hù)和輸入邏輯都集成到硅襯底的單個(gè)GaN上。這一完整的ePower級(jí)可以在數(shù)兆赫頻率驅(qū)動(dòng)和控制一個(gè)簡(jiǎn)單的低側(cè)CMOS IC，只需增加幾個(gè)無(wú)源元件即可成為一個(gè)完整的DC-DC穩(wěn)壓器。與分立式方法相比，體積小35%，組件數(shù)少了一半。集成功率級(jí)設(shè)計(jì)時(shí)間更短，因?yàn)橹皇沁壿嬢斎牒碗娫摧敵觥?/span>
GaN的未來(lái)是擴(kuò)展單片半橋，添加更多功能和特性。未來(lái)三到四年內(nèi)，很可能功率轉(zhuǎn)換中的分立晶體管將慢慢過(guò)時(shí)，集成解決方案將成為設(shè)計(jì)師構(gòu)建電力電子系統(tǒng)的理想組件。
為5G提供高效電力
Avnet Abacus高級(jí)營(yíng)銷(xiāo)總監(jiān)Hagen Goetze指出，每個(gè)5G基礎(chǔ)設(shè)施的射頻放大器和數(shù)據(jù)處理都需要一系列功率轉(zhuǎn)換級(jí)，以保證可靠性和性能方面的要求。
人們都在期待5G移動(dòng)通信承諾的好處——理論上比50Gps更快的下載速度，比4G低50倍的延遲，開(kāi)放家庭和工廠自動(dòng)化物聯(lián)網(wǎng)，當(dāng)然還有自動(dòng)駕駛車(chē)輛的控制。
他指出，傳統(tǒng)大功率基站可能會(huì)留下沒(méi)有信號(hào)的“黑點(diǎn)”，而且，由于5G中使用的頻率較高，目前約為4GHz，由于有效范圍較短，問(wèn)題可能更嚴(yán)重。隨著頻譜的開(kāi)放，毫米波段的頻率將更高，而實(shí)現(xiàn)更好覆蓋的唯一可行解決方案是建立覆蓋更小區(qū)域的低功率“微型”電池網(wǎng)絡(luò)，如安裝在電線桿上或辦公室和公共建筑的室內(nèi)。
所有這一切都意味著部署設(shè)備的巨大擴(kuò)張和所需電力的增加；預(yù)計(jì)5G需要的功率是典型4G基站的兩倍以上。隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模擴(kuò)大，運(yùn)營(yíng)商的能源消耗也將大幅增加，并帶來(lái)相應(yīng)的財(cái)務(wù)成本和全球環(huán)境影響。因此，巨大的壓力來(lái)自于基站盡可能節(jié)能的要求。此外，更高的效率將實(shí)現(xiàn)更小更輕的設(shè)備，更容易安裝和維護(hù)，理想情況下一個(gè)人即可完成。
有效地為射頻放大器供電是另一個(gè)要求?；旧漕l輸出功率變化很大，從毫瓦級(jí)的“毫微”單元到通常高達(dá)10W的“小”單元，再到高于100W的最大的5G MIMO（多輸入多輸出）陣列。GHz頻率的RF功率放大器（PA）本身不是很有效率，通常為50-60%，因此PA本身可能消耗250W左右功率。這個(gè)是一個(gè)放大器，根據(jù)華為的說(shuō)法，在一個(gè)典型5G基站站點(diǎn)中，總功耗可能超過(guò)11.5kW，包括傳統(tǒng)2/3/4G無(wú)線電和所有數(shù)據(jù)處理和控制電路。
針對(duì)功率放大器的功率要求，電壓軌需要低噪聲和嚴(yán)格控制，盡管下游的“包絡(luò)跟蹤”可用于提高放大器效率。LDMOS（橫向擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體功率晶體管）的工作頻率高達(dá)4GHz左右，功率等級(jí)為kW，通常需要26-32V的電源，對(duì)于更高頻率，GaN器件將以50-60V的電源軌為主，功率能力高達(dá)數(shù)百瓦，效率高于LDMOS。
采用GaN器件的典型電信輸入范圍DC-DC轉(zhuǎn)換器通常用基板冷卻“磚塊”格式，射頻功率放大器位于密封盒中的天線頭處，僅通過(guò)外殼傳導(dǎo)空氣冷卻。在可能的安裝范圍內(nèi)，電子設(shè)備可能需要在零度以下的溫度下啟動(dòng)，并在陽(yáng)光充足的情況下以滿功率運(yùn)行。為了應(yīng)對(duì)這些極端情況，射頻功率放大器及其電源和控制電路可能需要額定在85℃。幸運(yùn)的是，基板冷卻的DC-DC轉(zhuǎn)換器的額定溫度至少是這個(gè)溫度，這樣的設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)高于95%的效率，對(duì)內(nèi)部溫升的貢獻(xiàn)很小。
打造高性能雷達(dá)系統(tǒng)
KEMET技術(shù)產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理Joao Pedroso表示，工程師們了解相控陣?yán)走_(dá)概念已有一段時(shí)間了，基于GaN技術(shù)可以設(shè)計(jì)出性能更好現(xiàn)代雷達(dá)。
毫不奇怪，雷達(dá)系統(tǒng)是AESA（有源電子掃描陣）技術(shù)的主要應(yīng)用之一。由于不需要實(shí)際移動(dòng)天線，因此不需要（或至少更少）移動(dòng)部件。更少的潛在故障點(diǎn)支持了其在軍事、汽車(chē)當(dāng)中的應(yīng)用，避免惡劣環(huán)境對(duì)敏感的電機(jī)造成嚴(yán)重影響。此外，由于天線是基于一個(gè)陣列，可以很容易地使用超過(guò)1000個(gè)發(fā)射機(jī)，如果一個(gè)發(fā)射機(jī)發(fā)生故障，天線可以繼續(xù)工作，幾乎沒(méi)有任何性能惡化。對(duì)于只有一個(gè)發(fā)射機(jī)的傳統(tǒng)天線來(lái)說(shuō)，情況并非如此。天線發(fā)射的性質(zhì)也使得使用反監(jiān)視設(shè)備檢測(cè)陣列更加困難。出于同樣的原因，它不太容易受到干擾技術(shù)的影響。
然而，如此龐大的發(fā)射機(jī)陣列，每個(gè)發(fā)射機(jī)都需要自己的支持電子子系統(tǒng)，包括放大器和電源，這確實(shí)帶來(lái)了設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)?？臻g很容易成為問(wèn)題，這也是AESA系統(tǒng)現(xiàn)在采用GaN功率晶體管的原因之一。GaN技術(shù)帶來(lái)的效率水平支持AESA系統(tǒng)中使用的頻率和功率輸出水平。
GaN功率晶體管能夠在更高的功率水平和更高頻率下工作，比硅基功率MOSFET效率更高。因此，在這些特性至關(guān)重要的廣泛應(yīng)用中，正在使用GaN功率晶體管，包括AESA、電動(dòng)汽車(chē)逆變器和車(chē)載充電器及太陽(yáng)能逆變器。
GaN襯底特性非常適合高功率應(yīng)用。與硅相比，GaN具有更高的擊穿電壓和更高的電子遷移率，意味著其比硅襯底具有更好的導(dǎo)熱性，其熱導(dǎo)率比硅高15%左右。此外，其晶格結(jié)構(gòu)的低熱膨脹意味著基于GaN的功率晶體管具有更好的熱效率，比硅運(yùn)行更涼爽，工作溫度更高。這最終將導(dǎo)致更高的功率密度，支持其在陣列中的使用。在遠(yuǎn)程監(jiān)控應(yīng)用中，每個(gè)晶體管的輸出功率很容易達(dá)到200W，因此高效率、高功率密度和良好的導(dǎo)熱性是優(yōu)先要求。
GaN對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)也有影響，使用GaN功率晶體管對(duì)所有組件提出了更高的要求，尤其是無(wú)源組件。所涉及的高電壓電平和頻率將影響所用電容器的結(jié)構(gòu)。KEMET在制造聚合物電容器材料方面取得了重大進(jìn)展。此前，基于五氧化二鉭（Ta2O5）的電介質(zhì)電容器僅限于低電壓應(yīng)用，現(xiàn)在，KEMET可以用聚合物鉭電容器的性能很好地匹配GaN晶體管。工程師們關(guān)注的特性，如保持盡可能低ESR（等效串聯(lián)電阻）得以實(shí)現(xiàn)，使器件中的散熱最小化。另一個(gè)重要的優(yōu)點(diǎn)是與GaN晶體管的開(kāi)關(guān)頻率相稱的600kHz范圍內(nèi)開(kāi)關(guān)頻率下工作的能力。
隨著諸如GaN等WBG技術(shù)的持續(xù)商業(yè)化，其使用量將會(huì)增加，需要更適合這些高性能器件的無(wú)源器件來(lái)匹配。
電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用效果顯著
英飛凌科技氮化鎵應(yīng)用業(yè)務(wù)部門(mén)資深首席工程師Eric Persson認(rèn)為，在集成線性化電容器的電機(jī)驅(qū)動(dòng)集成功率模塊（IPM）中使用GaN芯片可以實(shí)現(xiàn)比硅技術(shù)顯著降低的功率損耗。
他表示，電機(jī)已經(jīng)使用了一個(gè)多世紀(jì)，隨著工業(yè)、辦公和家庭自動(dòng)化的不斷發(fā)展，電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)裝置越來(lái)越多地用于從機(jī)械臂控制到普通家用洗衣機(jī)的各種場(chǎng)合。今天，電機(jī)必須是“智能”的，以便在運(yùn)動(dòng)控制方面實(shí)現(xiàn)更大的靈活性、更好的功能和節(jié)能。然而，也存在一些限制因素——工業(yè)產(chǎn)品必須小、輕、節(jié)能，而商業(yè)產(chǎn)品也必須成本非常低。
增強(qiáng)的控制是通過(guò)電子電機(jī)驅(qū)動(dòng)器或電壓源逆變器來(lái)實(shí)現(xiàn)的，后者通常以可變頻率和幅度產(chǎn)生三相AC，以控制電機(jī)的速度、轉(zhuǎn)矩和方向。在驅(qū)動(dòng)器中使用了開(kāi)關(guān)模式技術(shù)，通常在16kHz左右工作，通過(guò)脈寬調(diào)制實(shí)現(xiàn)輸出控制。
幾十年來(lái)，硅MOSFET等器件已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)較高數(shù)量級(jí)的開(kāi)關(guān)，但在電機(jī)驅(qū)動(dòng)中，高頻（更小磁性元件）的優(yōu)勢(shì)并不明顯；磁性元件是電機(jī)本身，其尺寸獨(dú)立于應(yīng)用。因此，保持較低的頻率對(duì)于最小化開(kāi)關(guān)損耗是明智的選擇。高頻器件（如MOSFET）的快速電壓躍遷實(shí)際上帶來(lái)了自身的問(wèn)題；高dV/dt會(huì)導(dǎo)致電機(jī)繞組絕緣應(yīng)力，產(chǎn)生電壓超調(diào)或振鈴，有擊穿和局部放電退化的風(fēng)險(xiǎn)。此外，電磁干擾增加，需要額外的濾波器，共模電磁干擾電流可以通過(guò)電機(jī)軸承到達(dá)地，從而在軸承座圈中產(chǎn)生溝槽機(jī)械磨損。
由于高頻開(kāi)關(guān)似乎缺乏優(yōu)勢(shì)，IGBT仍被廣泛使用，但為了提高效率，硅MOSFET也很受歡迎，通過(guò)減慢柵極驅(qū)動(dòng)、引入緩沖器以及在三相驅(qū)動(dòng)輸出中加入外部串聯(lián)和共模濾波器來(lái)降低開(kāi)關(guān)邊緣速率，所有這些都在一定程度上影響了效率。在低功率和中等功率下，MOSFET可以產(chǎn)生比IGBT更低的導(dǎo)通損耗和更好的開(kāi)關(guān)損耗。這兩種器件都以智能功率模塊（IPM）形式提供，集成了典型的六個(gè)所需開(kāi)關(guān)，以及柵極驅(qū)動(dòng)器和保護(hù)功能。
用GaN實(shí)現(xiàn)寬禁帶開(kāi)關(guān)的方法具有更大的優(yōu)勢(shì)。采用硅MOSFET的IPM雖然效率較高，但仍存在進(jìn)一步改進(jìn)的壓力；更高的效率不僅可以節(jié)省能源和資金，還可以生產(chǎn)出更小、更輕的產(chǎn)品，散熱成本更低。如果一項(xiàng)改進(jìn)可以消除對(duì)不可靠風(fēng)扇的需求，或者允許在機(jī)器人手臂不在遠(yuǎn)程機(jī)柜中的電機(jī)旁邊放置一個(gè)較小的驅(qū)動(dòng)器，那么好處是顯而易見(jiàn)的?，F(xiàn)在更有效的器件是GaN高電子遷移率晶體管（HEMT）。這種寬禁帶技術(shù)比其他類(lèi)似的硅MOSFET具有更低的傳導(dǎo)損耗，是實(shí)現(xiàn)上述優(yōu)勢(shì)的關(guān)鍵，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了其單位成本溢價(jià)。
GaN開(kāi)關(guān)（如CoolGaN）速度非?？欤軌?qū)崿F(xiàn)kV/μs的邊緣速率。這是小型AC-DC和DC-DC轉(zhuǎn)換器在1MHz及更高頻率下運(yùn)行的一個(gè)重要特性。英飛凌的工程師意識(shí)到，在GaN芯片中的漏極到柵極使用一個(gè)非常小的電容器，對(duì)整體電容有顯著的線性化效果。選擇的值很小，約為1.2pF，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)有總柵極電荷值的兩倍。邊緣速率精確地限制在kV/μs左右，在較輕負(fù)載下，dV/dt自然下降到較低的值。
這項(xiàng)技術(shù)的進(jìn)展使英飛凌能夠設(shè)計(jì)出比同一應(yīng)用中硅MOSFET效率更高的IPM，同時(shí)將邊緣速率控制在可接受范圍內(nèi)。比較顯示，在電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中，相同溫升的損耗幾乎減半，利用了IPM中GaN器件更好的導(dǎo)通電阻。結(jié)果實(shí)現(xiàn)了不使用散熱器的設(shè)計(jì)，或使用散熱器驅(qū)動(dòng)較大電機(jī)的能力。在這兩種情況下都節(jié)省了成本。
總之，采用集成線性化電容器的GaN芯片可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)IPM比硅技術(shù)顯著降低的功率損耗，避免影響可靠性和EMI合規(guī)性的高邊速率問(wèn)題，已經(jīng)證明能夠抵抗電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中經(jīng)常出現(xiàn)的應(yīng)力和短路。
GaN器件不再是稀罕之物
GaN的價(jià)值已經(jīng)在各種與功率相關(guān)的應(yīng)用中體現(xiàn)出來(lái)，顯示出潛在的提升系統(tǒng)效率，降低系統(tǒng)成本、散熱、體積的潛力，超過(guò)了技術(shù)本身的小幅溢價(jià)。
未來(lái)是非常光明的，GaN技術(shù)和新產(chǎn)品將有巨大的增長(zhǎng)潛力。但這永遠(yuǎn)不會(huì)在一個(gè)季度內(nèi)發(fā)生。用已故偉大的“思想巨匠”史蒂芬·科維的話來(lái)說(shuō)，“農(nóng)場(chǎng)法則”很可能永遠(yuǎn)伴隨著我們：要有所收獲，必須先買(mǎi)一塊土地，購(gòu)買(mǎi)種子并播種，之后持之以恒地耕種、施肥、澆水、灌溉，到秋季的時(shí)候才能有所收獲。
