荷蘭芯片制造商Nexperia贊助的最近行業(yè)活動的參與者表示,汽車、消費和航空應(yīng)用中的功率轉(zhuǎn)換等應(yīng)用正在利用氮化鎵 (GaN)技術(shù)的優(yōu)勢。
例如,Kubos Semiconductor 正在開發(fā)一種稱為立方 GaN 的新材料?!八橇⒎降?,我們不僅可以在 150 毫米及以上的大型晶圓上生產(chǎn)它,而且還可以擴展到更大的晶圓尺寸,并可以無縫插入現(xiàn)有的生產(chǎn)線,”Kubos 首席執(zhí)行官 Caroline 說奧布萊恩。
其他人正在努力擴大寬帶隙 (WBG) 半導(dǎo)體在電源管理中的應(yīng)用范圍。英國電氣化專家 Ricardo 正在擴大其使用 GaN 和碳化硅技術(shù)的電力工作。
Ricardo 的首席工程師 Temoc Rodriguez 指出,特斯拉是第一家使用SiC 代替絕緣柵雙極晶體管 (IGBT)的汽車制造商,這引發(fā)了更多使用 WBG 材料以提高功率效率,同時減小功率轉(zhuǎn)換器的尺寸和重量的趨勢。
在其他地方,Hexagem 首席執(zhí)行官 Mikael Bj?rk 描述了這家瑞典公司開發(fā)的 GaN-on-silicon 技術(shù),旨在降低成本,同時增加未來應(yīng)用的規(guī)模優(yōu)勢?!拔覀冋趯で蟾叩念~定電壓要求,”Bj?rk 說。
活動贊助商 Nexperia 指出,每一代 GaN 技術(shù)的性能都在穩(wěn)步提升,這些收益可能會超過硅目前的成本優(yōu)勢。支持者認為,這些進步是在硅技術(shù)的漸進式改進是微不足道的。
應(yīng)用
CO2碳排放的壓力越來越大,從汽車到電信等工業(yè)部門正被推動投資于更高效的電力轉(zhuǎn)換和電氣化。IGBT 等硅基功率半導(dǎo)體技術(shù)在工作頻率和速度方面存在基本限制。它們還表現(xiàn)出較差的高溫和低電流性能。高壓 Si FET 的頻率和高溫性能同樣受到限制。
這些限制促使更多的應(yīng)用設(shè)計者考慮使用 WBG 半導(dǎo)體。
Kubos Semiconductor 的 O'Brien 表示:“在應(yīng)用市場中,隨著更小的設(shè)計尺寸以及更高的效率,我認為 GaN 能夠?qū)崿F(xiàn)以前未被認可或廣泛使用的應(yīng)用,例如小型基站?!?. “對于更小的系統(tǒng)設(shè)計來說,這是一個真正的機會。”
一個關(guān)鍵特性是開關(guān)頻率響應(yīng),特別是在 DC/DC 轉(zhuǎn)換器高達 5–10 kW 的應(yīng)用中?!斑@是一種可以在電信和能源領(lǐng)域以及消費電子產(chǎn)品中考慮的標記,”羅德里克斯補充道?!坝泻芏嘁?DC/DC 轉(zhuǎn)換器為中心的應(yīng)用可以提高效率并節(jié)省能源?!?
除了更高的電壓,Hexagem 的 Bj?rk 還強調(diào)晶圓縮放,同時優(yōu)化 GaN 器件的生產(chǎn)以降低成本?!澳壳?,150 毫米晶圓是市場地址,但未來 [生產(chǎn)] 可以擴展到 200 毫米晶圓。而且,誰知道呢,可能會有 300 毫米晶圓的嘗試,”Bj?rk 預(yù)測道。
GaN-on-Si 技術(shù)是應(yīng)用最廣泛的技術(shù)之一,但在器件開發(fā)方面并沒有很好的聲譽。
“氮化鎵和硅具有非常不同的晶格常數(shù),因此它們不匹配,”Bj?rk 說。“在將 GaN 放在硅上之前,您必須生長出相當先進的不同層堆疊。當你這樣做時,你會產(chǎn)生許多有害的缺陷、錯位、損失和過早損壞。
“另一個問題是 GaN 和硅之間的熱膨脹失配,”他補充道?!爱斈惆阉岣叩酱蠹s 1000?C 時,當你冷卻這兩種材料時,它們會以不同的速度收縮,你最終可能會破壞結(jié)構(gòu)。”
與此同時,從車載充電器和 DC/DC 轉(zhuǎn)換器到牽引和輔助逆變器的汽車應(yīng)用都在使用 GaN 技術(shù),Nexperia 的 GaN 應(yīng)用總監(jiān) Jim Honea 說?!坝糜陔妱悠嚨拇笮碗姵氐拈_發(fā)正在創(chuàng)造許多過去無法想象的應(yīng)用,”Honea 說。
此外,Nexperia 的 Dilder Chowdhury 指出,低 Q rr或反向恢復(fù)電荷有助于簡化濾波器設(shè)計,從而提高開關(guān)性能。GaN 功率晶體管也可以與通用柵極驅(qū)動電路并聯(lián)使用。高電壓和開關(guān)頻率是最大的挑戰(zhàn),尤其是對硅工程師而言。
隨著 EV 制造商尋求提高行駛里程,GaN 功率 IC 作為一種在提高效率的同時減小尺寸和重量的方法正在獲得牽引力。
GaN 可用于設(shè)計功率電子系統(tǒng),該系統(tǒng)體積小四倍,重量輕四倍,與基于硅的系統(tǒng)相比具有可比的能量損失。零反向恢復(fù)可減少電池充電器和牽引逆變器的開關(guān)損耗,以及更高的頻率和更快的開關(guān)速率等優(yōu)勢。
此外,降低開關(guān)中的開啟和關(guān)閉損耗有助于減少 EV 充電器和逆變器等應(yīng)用中的電容器、電感器和變壓器的重量和體積。
支持者還斷言 WBG 技術(shù)為電源轉(zhuǎn)換設(shè)計人員提供了提高效率和功率密度的新方法。與它們的硅對應(yīng)物一樣,單個 GaN 器件的電流處理能力仍然有其上限。并行實現(xiàn) GaN 器件是一種常見的方法。
Honea 說,然后可以縮放 GaN 尺寸。“通過并聯(lián) GaN 晶體管,我們可以擴展功率。然而,如果你把它們平行放置,你就會增加共振,你必須確保你不會激發(fā)和放大它們。”