硅基氮化鎵(GaN)技術(shù)這幾年來(lái)有了很大的發(fā)展，產(chǎn)品種類越來(lái)越豐富，參與的公司也越來(lái)越多。除了再硅基氮化鎵領(lǐng)域耕耘多年的MACOM，還有EPC(宜普電源轉(zhuǎn)換公司)、GaN System、Transphorm、Navitas等初創(chuàng)公司，以及英飛凌、安森美、意法半導(dǎo)體、松下和TI等行業(yè)巨頭也參與了競(jìng)爭(zhēng)。

今年11月28日，英飛凌宣布其硅基氮化鎵產(chǎn)品開(kāi)始量產(chǎn)。在其新聞發(fā)布會(huì)上，英飛凌發(fā)布了采用氮化鎵材料的CoolGaN增強(qiáng)型HEMT和氮化鎵開(kāi)關(guān)管專用驅(qū)動(dòng)芯片(GaN EiceDRIVER IC)，這是英飛凌的首款氮化鎵產(chǎn)品。英飛凌科技奧地利股份有限公司電源管理與多元化事業(yè)部資深市場(chǎng)營(yíng)銷經(jīng)理鄧巍介紹了則介紹了這兩個(gè)技術(shù)和產(chǎn)品的技術(shù)細(xì)節(jié)。

圖1：英飛凌科技奧地利股份有限公司電源管理與多元化事業(yè)部資深市場(chǎng)營(yíng)銷經(jīng)理鄧巍在介紹英飛凌CoolGaN的技術(shù)細(xì)節(jié)。

未來(lái)十年氮化鎵市場(chǎng)規(guī)模有望突破10億美元

雖然目前市面上的應(yīng)用主要以硅基器件為主，但在一些高功率、高電壓應(yīng)用中，硅基器件有些捉襟見(jiàn)肘，而氮化鎵和碳化硅卻能很好地滿足這些應(yīng)用場(chǎng)景。這主要是因?yàn)?，他們屬于寬禁帶半?dǎo)體材料，與硅等傳統(tǒng)的半導(dǎo)體材料相比，具有更寬的帶隙。其中硅的帶隙是1.1電子伏特，氮化鎵是3.4電子伏特。

圖2：硅、氮化鎵和碳化硅三種技術(shù)的不同應(yīng)用場(chǎng)景。

在鄧巍看來(lái)，未來(lái)很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，硅基器件、氮化鎵和碳化硅這三種技術(shù)會(huì)共存，而且硅基器件還將會(huì)是主流，但在一些高性能、高端產(chǎn)品中硅基器件性能不能滿足要求的一些場(chǎng)合，氮化鎵和碳化硅會(huì)是一種補(bǔ)充。目前氮化鎵主要應(yīng)用在100V~600V的應(yīng)用場(chǎng)景中，碳化硅則比較適合600V~3.3kV的應(yīng)用場(chǎng)合。

鄧巍認(rèn)為，氮化鎵產(chǎn)品目前處于技術(shù)成熟度曲線的第二個(gè)攀升階段，也就是說(shuō)它的熱潮時(shí)間段已經(jīng)過(guò)去，走出了泡沫化的低谷期，進(jìn)入了穩(wěn)步爬升的光明期，“現(xiàn)在正是氮化鎵產(chǎn)品和技術(shù)發(fā)展的良機(jī)。”

圖3：GaN技術(shù)成熟度曲線。

他樂(lè)觀地估計(jì)，未來(lái)十年，基于氮化鎵的器件市場(chǎng)總值有望超過(guò)10億美元。市場(chǎng)分布方面，他認(rèn)為電源類產(chǎn)品將會(huì)占到整個(gè)市場(chǎng)的40%;汽車類應(yīng)用起步比較晚，但成長(zhǎng)非?？?。鄧巍也提到了英飛凌的氮化鎵產(chǎn)品的目標(biāo)市場(chǎng)是，服務(wù)器、電信、無(wú)線充電、音頻和適配器等市場(chǎng)。

“當(dāng)然，氮化鎵不僅限于這些應(yīng)用，我們希望更多的領(lǐng)域來(lái)嘗試我們的氮化鎵產(chǎn)品，比如說(shuō)太陽(yáng)能、照明、消費(fèi)電子和電視等等。”他補(bǔ)充說(shuō)。

CoolGaN有何特別之處?

目前市面上關(guān)于氮化鎵的解決方案，有三種不同的趨勢(shì)：

1.分立式+外部驅(qū)動(dòng)器;

2.多片集成，開(kāi)關(guān)和驅(qū)動(dòng)雖然是不同的襯底，但是封裝在同一個(gè)殼子里;

3.單片集成，氮化鎵的開(kāi)關(guān)、驅(qū)動(dòng)、其他器件作為同襯底的一個(gè)解決方案。

不同的公司有著不同的氮化鎵解決方案，但就成熟度來(lái)說(shuō)，“分離器器件是目前最成熟的一種解決方案。”鄧巍表示，“但漸漸地，氮化鎵可以在多片集成和單片集成中也體現(xiàn)出優(yōu)勢(shì)。”而英飛凌希望在這三個(gè)方面都有所成就。

談到英飛凌剛剛量產(chǎn)的600V CoolGaN技術(shù)，鄧巍自豪地表示，“CoolGaN是英飛凌‘氮化鎵(GaN)增強(qiáng)模式高電子遷移率晶體管(E-HEMT)’產(chǎn)品系列，采用了與松下合作開(kāi)發(fā)的常閉式概念解決方案，可以是器件獲得更長(zhǎng)的使用壽命。”

圖4：英飛凌的常閉型氮化鎵產(chǎn)品原理。

鄧巍解釋說(shuō)，在P型氮化鎵電阻柵中，柵極電壓超出正向電壓時(shí)，空穴注入，如果不在柵極做任何動(dòng)作的話，在中間層就會(huì)有電子流動(dòng)，“也就是說(shuō)，它是一個(gè)常開(kāi)型器件。”

而目前大家經(jīng)常使用的硅基器件都是常閉型器件，大家已經(jīng)熟悉了常閉型的理念。“因此，我們?cè)诩夹g(shù)細(xì)節(jié)和工藝上做了一些改動(dòng)，在柵極加了P-GaN，使常開(kāi)型的氮化鎵器件變成了工程師比較容易理解的常閉型氮化鎵器件。”鄧巍這樣解釋。

“其實(shí)氮化鎵有一個(gè)業(yè)界比較棘手的問(wèn)題，叫做動(dòng)態(tài)RDS(ON)，不過(guò)因?yàn)槲覀冊(cè)诼O引入了P-GaN，它可以中和陷在漏極的電子，這樣就可以從技術(shù)上解決動(dòng)態(tài)RDS(ON)在開(kāi)關(guān)的時(shí)候有很多電子被陷在漏極不流通的問(wèn)題。”他詳細(xì)介紹說(shuō)。

對(duì)于CoolGaN的封裝形式問(wèn)題，鄧巍強(qiáng)調(diào)，“氮化鎵在高頻情況下能夠無(wú)損地開(kāi)關(guān)，我們不想因?yàn)榉庋b原因而把它的優(yōu)勢(shì)抹殺掉，所以我們引入了SMD貼片式封裝，英飛凌可以根據(jù)不同的客戶、不同的需求提供不同的產(chǎn)品給他們，有的客戶要求散熱性能更好，有的客戶要求體積更小，我們分別提供不同封裝的產(chǎn)品。”

氮化鎵器件讓電源設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)單

雖然英飛凌的高壓氮化鎵增強(qiáng)模式HEMT可以由其他廠商提供的驅(qū)動(dòng)芯片來(lái)驅(qū)動(dòng)，但鄧巍還是建議使用英飛凌的官方配套驅(qū)動(dòng)芯片，“因?yàn)榈夐_(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)芯片EiceDRIVER IC——1EDF5673K、1EDF5673F和1EDS5663H是CoolGaN增強(qiáng)型HEMT最好的搭檔，它們可以確保CoolGaN開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)強(qiáng)健且高效的運(yùn)行，同時(shí)最大限度地減少工程師研發(fā)工作量，加快將產(chǎn)品推向市場(chǎng)。”

圖5：英飛凌專用氮化鎵驅(qū)動(dòng)芯片等效電路圖及工作過(guò)程。

鄧巍解釋說(shuō)，不同于傳統(tǒng)功率MOSFET的柵極驅(qū)動(dòng)IC，這個(gè)針對(duì)英飛凌CoolGaN量身定制的柵極驅(qū)動(dòng)IC可提供負(fù)輸出電壓，以快速關(guān)斷氮化鎵開(kāi)關(guān)。在開(kāi)關(guān)應(yīng)處于關(guān)閉狀態(tài)的整個(gè)持續(xù)時(shí)間內(nèi)，GaN EiceDRIVER IC可以使柵極電壓穩(wěn)定保持為零。這可保護(hù)氮化鎵開(kāi)關(guān)不受噪音導(dǎo)致誤接通的影響，哪怕是首脈沖，這對(duì)于SMPS實(shí)現(xiàn)強(qiáng)健運(yùn)行至關(guān)重要。氮化鎵柵極驅(qū)動(dòng)IC可實(shí)現(xiàn)恒定的GaN HEMT開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)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(yùn)行穩(wěn)健性和很高能效，大大縮短研發(fā)周期。它集成了電隔離，可在硬開(kāi)關(guān)和軟開(kāi)關(guān)應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)強(qiáng)健運(yùn)行。它還可在SMPS一次側(cè)和二次側(cè)之間提供保護(hù)，并可根據(jù)需要在功率級(jí)與邏輯級(jí)之間提供保護(hù)。

鄧巍拿1EDF5673 氮化鎵驅(qū)動(dòng)器評(píng)估板在1 MHz 的情況下開(kāi)關(guān)CoolGaN舉例說(shuō)明了CoolGaN和驅(qū)動(dòng)器配合使用的情況。

圖6：1EDF5673 氮化鎵驅(qū)動(dòng)器評(píng)估板在1 MHz 的情況下開(kāi)關(guān)CoolGaN。

在這個(gè)評(píng)估版中，使用的是一個(gè)半橋結(jié)構(gòu)，由高端和低端。當(dāng)高端打開(kāi)時(shí)，低端是關(guān)斷的;當(dāng)?shù)投岁P(guān)斷時(shí)，負(fù)電壓負(fù)責(zé)關(guān)斷它，然后打開(kāi)高端。也就是說(shuō)，在打開(kāi)另一側(cè)時(shí)，這一側(cè)的驅(qū)動(dòng)必須是負(fù)電壓狀態(tài)。“原因是氮化鎵是一個(gè)常開(kāi)型產(chǎn)品，英飛凌做成了常閉型產(chǎn)品，但是常閉型產(chǎn)品的柵極電壓比較低，大概是1~1.5V左右，它很容易誤打開(kāi)。如果一端打開(kāi)了，另一端被誤打開(kāi)了，那整個(gè)器件就導(dǎo)通了，那它就失效了。”鄧巍詳細(xì)地解說(shuō)。

談到氮化鎵產(chǎn)品的優(yōu)勢(shì)，鄧巍指出，氮化鎵產(chǎn)品能夠在半橋拓?fù)渲袑?shí)現(xiàn)硬開(kāi)關(guān)，優(yōu)勢(shì)是靈活、高效、系統(tǒng)成本比較低。“我們用自己的氮化鎵產(chǎn)品做了一個(gè)PFC板，能夠在10%~100%的負(fù)載情況下，達(dá)到穩(wěn)定率高于99%的效率，峰值達(dá)到了99.3%。”

圖7：氮化鎵產(chǎn)品的優(yōu)勢(shì)。

也就是說(shuō)使用氮化鎵產(chǎn)品的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)單、效率更高、體積更小，以及系統(tǒng)成本會(huì)更低。

對(duì)此，Bel Power Solutions研發(fā)部電子設(shè)計(jì)助理經(jīng)理陳偉深有體會(huì)，他們已經(jīng)成功設(shè)計(jì)了一款基于英飛凌氮化鎵產(chǎn)品的6kW ACDC電源，并用在了Face book的數(shù)據(jù)中心上。

據(jù)陳偉介紹，通過(guò)應(yīng)用氮化鎵器件，讓他們的整個(gè)電源設(shè)計(jì)達(dá)到了更高的效率，而且在體積方面也做到了最優(yōu)。