第三代半導體市場的“互補共生”

　　受訪人：Robert Taylor是德州儀器(TI)系統(tǒng)工程營銷組的應用經(jīng)理，負責工業(yè)和個人電子市場的定制電源設計。他的團隊每年負責500項設計，并在過去20年中設計了15000個電源。Robert于2002年加入TI，大部分時間都在擔任各種應用的電源設計師。Robert擁有佛羅里達大學的電氣工程學士學位和碩士學位。

1.氮化鎵和碳化硅同屬第三代半導體，在材料特性上有什么相似之處和不同之處？根據(jù)其不同的特性，分別適用在哪些應用領域？貴公司目前在SiC和GaN兩種材料的半導體器件方面都有哪些主要的產(chǎn)品？

　　與傳統(tǒng)的硅金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)相比，氮化鎵(GaN)和碳化硅(SiC)場效應晶體管都能實現(xiàn)更高水平的功率密度和效率。雖然這兩種技術都是寬帶隙，但氮化鎵和碳化硅之間存在著根本性的差異，使得其中一種在某些拓撲結構和應用中比另一種更適合。

　　雖然氮化鎵和碳化硅的功率水平有一些重疊，但各自解決的功率需求是不同的。碳化硅器件提供高達1700V的電壓和高電流承載能力。這使得它們很適合于汽車和機車牽引逆變器、大功率太陽能發(fā)電站和大型三相電網(wǎng)變流器等應用。碳化硅進入市場的時間略長，因此它有更多的選擇，例如，相比目前可用的氮化鎵解決方案，碳化硅支持更廣泛的電壓和導通電阻。

　　另一方面，氮化鎵的基本特性使其更適合于對高功率密度的關鍵應用，如服務器和電信電源；工業(yè)AC/DC和電源；以及高功率USB-C充電器。將氮化鎵器件與類似的碳化硅器件進行直接比較，氮化鎵器件的轉接損耗會降低25%-50%，并支持更高的工作頻率。這些優(yōu)勢來自于氮化鎵具有更低的輸入和輸出電容，以及零反向恢復電荷，與其他技術相比，可大大降低功率耗散。

　　在目前的半導體形勢下，許多器件和技術都供不應求，討論碳化硅和氮化鎵的制造工藝也很重要。碳化硅功率場效應管是在碳化硅晶圓上制造的，這意味著碳化硅有一個獨立的、不如硅堅固的供應鏈。此外，大約70%的碳化硅晶圓來自一個供應商，這為選擇碳化硅增加了一層風險。氮化鎵功率器件幾乎總是建立在硅晶圓上，這是與其他使用碳化硅或氮化鎵晶圓并經(jīng)常用于射頻的氮化鎵技術的重要區(qū)別。這種硅基氮化鎵工藝意味著氮化鎵能夠利用便宜得多的硅晶圓供應鏈。

　　在TI，我們最近發(fā)布了三款新的氮化鎵產(chǎn)品：LMG3422R030、LMG3422R050和LMG3522R030-Q1。該系列氮化鎵產(chǎn)品采用底部和頂部冷卻封裝，具有多種不同的導通電阻，是首款符合AEC-Q100的汽車市場集成柵極驅動器的氮化鎵器件。它們已經(jīng)一同被幾家領先的電源制造商采用，以生產(chǎn)更高效率和更高功率密度的電源。不需要改進效率和功率密度的終端設備傾向于保持現(xiàn)有技術。

2.功率器件是第三代半導體的重要應用領域之一，您認為，相比于傳統(tǒng)功率半導體器件，第三代半導體在功率器件應用方面有哪些技術上的優(yōu)勢，又能帶來哪些技術指標方面的突破和新應用的涌現(xiàn)？

　　與現(xiàn)有硅器件，比如MOSFET或IGBT相比，GaN和SiC由于不同的物理特性，是具備更好開關性能的新型半導體材料。具體而言，GaN具有低得多的輸入和輸出電容以及顯著降低功耗的零反向恢復電荷。TI的GaN解決方案則更進一步，將柵極驅動器與GaN FET集成，實現(xiàn)了更高的壓擺率。開關頻率更快，功率損耗更低。市場上要求更高效率和功率密度的應用正以極快的速度向GaN產(chǎn)品過渡。

　　相對于MOSFET和IGBT器件，GaN器件提供了實質(zhì)性的改進，包括快速開關時間、低導通電阻、較低的門極電容（例如，GaN的單位門極電荷小于1nC-Ω，而Si的單位門極電荷為4nC-Ω），這些特性可以實現(xiàn)更快的導通和關斷，同時減少柵極驅動損耗。GaN還提供了較低的單位輸出電容（典型的GaN器件的單位輸出電荷為5nC-Ω，而傳統(tǒng)的Si器件為25nC-Ω），這使設計人員能夠在不增加開關損耗的同時實現(xiàn)較高的開關頻率，更高的開關頻率意味著設計人員能夠縮小電源系統(tǒng)中磁性元件的尺寸、重量和數(shù)量。憑借更快的開關速度，氮化鎵器件幫助設計者實現(xiàn)了超過500千赫茲的開關頻率，從而使系統(tǒng)中的磁體體積縮小60%，性能增強，降低系統(tǒng)成本。

4.新能源汽車和充電樁，也是第三代半導體的主要應用領域之一，您認為，在這兩個方面，第三代半導體主要的技術應用優(yōu)勢有哪些？對系統(tǒng)的效率和性能，又能帶來哪些新的提升以及新應用的可能？

　　德州儀器(TI)的氮化鎵功率器件產(chǎn)品系列專注于集成氮化鎵的關鍵特性，以突出氮化鎵的優(yōu)勢。我們的氮化鎵器件產(chǎn)品系列集成了柵極驅動器和電源管理功能，這些都有助于設計出更高頻率和更小尺寸的氮化鎵。2020年TI推出了業(yè)界首款具有集成驅動器的650V車用GaN FET產(chǎn)品LMG3522R030-Q1。

　　它針對400V電池系統(tǒng)的3.3kW至7kW的車載充電應用得到了優(yōu)化。在我們的PMP22650、6.6kW車載參考設計中，展示了使用我們的氮化鎵器件實現(xiàn)3.8kW/L功率密度和97%效率的能力。這也證明了氮化鎵可以為非車載電動車充電器帶來巨大的好處。

5.數(shù)據(jù)中心是節(jié)能降耗的一個重要應用領域，您認為第三代半導體可以在哪些方面提升數(shù)據(jù)中心的能源利用效率？在數(shù)據(jù)中心中，哪些第三代半導體的產(chǎn)品可以得到廣泛的應用。第三代半導體的應用又會如何影響數(shù)據(jù)中心功能的升級？

　　在設計支持存儲、云應用、中央計算能力的電信和服務器系統(tǒng)時使用氮化鎵器件，可提供能源效率和功能優(yōu)勢。TI的氮化鎵設計可達到80?Plus Titanium標準，并實現(xiàn)超過99%的功率因素校正(PFC)效率。最近，我們在TIDA-010203中配置了99%效率的PFC參考設計，幾個主電源已經(jīng)開始使用TI氮化鎵器件。

6.隨著第三代半導體材料的推廣應用，氮化鎵除了在快充領域迅速占領市場以外，未來還將可能在哪些領域嶄露頭角？貴公司有哪些產(chǎn)品和方案？

　　我們相信在未來的10到20年里，氮化鎵將會得到更廣泛的應用。一些氮化鎵的初代采用者是生產(chǎn)USB電源充電器的中國廠商，我們預計氮化鎵在消費品市場的應用會更加普及。如今，使用氮化鎵的服務器、計算機和工業(yè)電源已投入使用，預計未來5年內(nèi)它將取得更多的商業(yè)應用。而氮化鎵在機器人、電機驅動、汽車充電、太陽能電器等其他工業(yè)領域也會被更廣泛地投入商業(yè)應用之中。在當前的汽車市場上，客戶正在嘗試將氮化鎵用于未來的車載充電器和高壓直流轉換器中。預計在未來五年，氮化鎵將走向更廣泛的應用。我們也注意到氮化鎵被用作"高功率"的營銷手段，因此看到其他應用以創(chuàng)新方式配置氮化鎵器件也會是非常有趣的。

7.您認為隨著成本的下降，未來GaN在中低功率領域能否完全替代二極管、IGBT、MOSFET等硅基功率器件？在功率器件的工藝上第三代半導體帶來了哪些改變？

　　“互補共生”是描述這些功率半導體器件未來競爭特點的一個很好的詞。在汽車市場上，可以找到一次側使用氮化鎵和二次側使用IGBTs的高壓至低壓直流/直流轉換器。在TI現(xiàn)有的參考設計中，我們將使用氮化鎵、IGBTs或任何一種技術為特定應用提供最佳性能。氮化鎵的優(yōu)勢可以在需要更高效率和更小尺寸的設計中得到最大發(fā)揮。