氮化鎵取代碳化硅，從PI開(kāi)始？

在功率器件選擇過(guò)程中，以氮化鎵、碳化硅為代表的寬禁帶半導(dǎo)體越來(lái)越受到了人們的重視，在效率、尺寸以及耐壓等方面都相較于硅有了顯著提升，但是如何定量分析這三類產(chǎn)品的不同？Power Intergrations（PI）資深培訓(xùn)經(jīng)理Jason Yan日前結(jié)合公司新推出的1250V氮化鎵(GaN)產(chǎn)品，詳細(xì)解釋了三類產(chǎn)品的優(yōu)劣，以及PI對(duì)于三種產(chǎn)品未來(lái)的判斷，同時(shí)還介紹了PI氮化鎵產(chǎn)品的特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)。

在功率器件選擇過(guò)程中，以氮化鎵、碳化硅為代表的寬禁帶半導(dǎo)體越來(lái)越受到了人們的重視，在效率、尺寸以及耐壓等方面都相較于硅有了顯著提升，但是如何定量分析這三類產(chǎn)品的不同？Power Intergrations（PI）資深培訓(xùn)經(jīng)理Jason Yan日前結(jié)合公司新推出的1250V氮化鎵(GaN)產(chǎn)品，詳細(xì)解釋了三類產(chǎn)品的優(yōu)劣，以及PI對(duì)于三種產(chǎn)品未來(lái)的判斷，同時(shí)還介紹了PI氮化鎵產(chǎn)品的特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)。

目前隨著消費(fèi)類氮化鎵供應(yīng)商越來(lái)越多，PI正在努力擴(kuò)展氮化鎵在工業(yè)和汽車中的應(yīng)用，盡量避免陷入內(nèi)卷的紅海中。實(shí)際上，目前PI已有超過(guò)一半以上氮化鎵應(yīng)用不再是手機(jī)適配器。

可同時(shí)提供三類產(chǎn)品的電源公司

“目前PI是為數(shù)不多同時(shí)提供三類產(chǎn)品的公司，并且有著豐富的產(chǎn)品組合?！盝ason在PI推出全球額定耐壓最高的單管氮化鎵電源IC時(shí)說(shuō)道，該IC采用了1250V的PowiGaN開(kāi)關(guān)技術(shù)，也許是目前市面上唯一商用的1250V氮化鎵產(chǎn)品，而這正是PI不斷拓展氮化鎵應(yīng)用邊際的有力證明。

結(jié)合此前PI所推出的不同種InnoSwitch3產(chǎn)品，目前PI已經(jīng)通過(guò)在硅、氮化鎵以及碳化硅上的廣泛布局，滿足了高中低母線電壓下的應(yīng)用。

更高耐壓意味著什么？

隨著母線電壓越來(lái)越高，更高的耐壓產(chǎn)品也在市場(chǎng)中的需求越來(lái)越高，但也會(huì)給器件帶來(lái)更高要求，尤其是其耐壓性要嚴(yán)苛得多。

首先，電壓變化除了母線電壓，還有變壓器的反射電壓以及漏感尖峰，三者相加的電壓會(huì)遠(yuǎn)高于母線電壓，因此需要有更多的開(kāi)關(guān)裕量。

另外，在某些工業(yè)類高壓應(yīng)用中，又或者是電網(wǎng)不穩(wěn)定區(qū)域，發(fā)電機(jī)啟動(dòng)瞬間或雷擊等會(huì)造成浪涌，也會(huì)這對(duì)后面的電源耐壓是一個(gè)巨大挑戰(zhàn)。

相對(duì)于硅，氮化鎵具有更高的耐壓，比如同樣是750V，硅產(chǎn)品在超過(guò)其耐壓范圍時(shí)會(huì)直接損壞，而氮化鎵超過(guò)工作電壓并不會(huì)永久失效，而只是增加RDSon，隨著電壓回復(fù)到正常值，氮化鎵還會(huì)恢復(fù)，這種特性也使其可靠性更高。對(duì)于PI的氮化鎵來(lái)說(shuō)，750V的產(chǎn)品在1400V才會(huì)出現(xiàn)永久失效，而對(duì)于1250V的產(chǎn)品，則至少可以到2100V。

如圖所示，1250VPowiGaN具有更多的裕量以確保系統(tǒng)更加安全可靠。

效率是電源轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵

電源轉(zhuǎn)換過(guò)程中，效率則是所有相關(guān)工程師都需要關(guān)注的，更高的效率意味著更少的散熱，更小的尺寸，更輕的重量以及更高的可靠性等。同時(shí)，更高的效率也意味著可以更加節(jié)能，更加綠色，因此各國(guó)都在效率方面制定了越來(lái)越嚴(yán)格的規(guī)定。

Jason以家電為例，高效率提高除了可以提高家電的能效標(biāo)準(zhǔn)，增加產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力之外，通過(guò)減少體積，甚至還可以優(yōu)化很多安裝，運(yùn)輸方式，這主要是因?yàn)榫薮蟮纳嵯到y(tǒng)會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)更加不可靠。

同時(shí)，待機(jī)輕載或空載模式中的功耗同樣值得注意，這是因?yàn)樵絹?lái)越多的家電在智能化、網(wǎng)聯(lián)化的要求下，功能越來(lái)越多，這無(wú)形當(dāng)中增加了待機(jī)功耗，因此如今各國(guó)也正在提高輕載下的效率要求。

淺析功率變換過(guò)程中的損耗

Jason表示，功率變換過(guò)程中功率管的損耗來(lái)源主要是開(kāi)關(guān)損耗與導(dǎo)通損耗，這兩個(gè)損耗有時(shí)候是需要權(quán)衡的。

導(dǎo)通損耗比較容易理解，即功率管在導(dǎo)通過(guò)程中等效電阻RDSon所引起的損耗。而開(kāi)關(guān)損耗主要由Coss來(lái)決定。開(kāi)關(guān)損耗主要是因?yàn)楣β使艿募纳娙菰陔妷鹤兓^(guò)程中所帶來(lái)的能量釋放。對(duì)于高壓應(yīng)用而言，硅MOSFET會(huì)因?yàn)槟蛪旱纳叨鴮?dǎo)致RDSon增加，同時(shí)電壓越高寄生電荷也就越多，開(kāi)關(guān)過(guò)程中的功耗也就越高。一般意義上，若要降低RDSon，可以考慮增大晶圓尺寸，但這會(huì)帶來(lái)Coss的增加，因此如何平衡RDSon和Coss變得非常重要。

氮化鎵的Coss和RDSon都很低，因此效率遠(yuǎn)高于硅。

幾張實(shí)測(cè)效率圖看三者區(qū)別

PI進(jìn)行了一套完整的產(chǎn)品測(cè)試，以充分驗(yàn)證硅、氮化鎵以及碳化硅的轉(zhuǎn)換效率。Jason強(qiáng)調(diào)PI有完整的三種功率產(chǎn)品，因此可以實(shí)現(xiàn)最客觀的對(duì)比。

在看測(cè)試圖之前，我們先科普兩個(gè)事實(shí)。首先是高壓情況下，效率會(huì)變低，這主要是由于在高壓狀態(tài)時(shí)，開(kāi)關(guān)損耗會(huì)急劇增加。簡(jiǎn)單的理解就是試想電壓越高導(dǎo)通時(shí)間越慢，電壓和電流交疊部分越多。

另外，在低壓狀態(tài)下，電流越大，其導(dǎo)通損耗占比也越大，同時(shí)溫升更高，因此常用的溫升測(cè)試都是在低壓狀態(tài)進(jìn)行。

PI提供了兩個(gè)參考板，一塊是低壓輸入，一塊是高壓輸入，因?yàn)镻I所有InnoSwitch-3產(chǎn)品引腳兼容，因此只需更換主芯片，這樣可以客觀評(píng)價(jià)出芯片的影響。

如圖所示，綠色曲線為最新的60W 1250V GaN。

我們可以明顯看到1250V的GaN相比其他在任何電壓時(shí)都具有更高的效率，在低壓時(shí)，提升了至少1%的效率，這也意味著可減少20%損耗，從而實(shí)現(xiàn)更好的溫升表現(xiàn)。

同時(shí)我們也可以看到，在高壓應(yīng)用時(shí)，氮化鎵與碳化硅的效率則較為接近。

實(shí)測(cè)的溫升表現(xiàn)也證明，相比于硅，第三代半導(dǎo)體可以實(shí)現(xiàn)6-10度的降低。

到底應(yīng)該選哪種器件？答案已經(jīng)在圖中了。

氮化鎵代表著未來(lái)

在某些750伏DC的應(yīng)用當(dāng)中，氮化鎵已經(jīng)可以取代碳化硅了。PI CEO Balu Balakrishnan此前就在公開(kāi)場(chǎng)合說(shuō)過(guò)，PI實(shí)際上投入過(guò)數(shù)千萬(wàn)美元進(jìn)行碳化硅的研究，但最終還是轉(zhuǎn)向了氮化鎵。

Jason解釋道，氮化鎵可以使用硅基工藝，同時(shí)晶圓尺寸更大，相比而言碳化硅在制備，切割等過(guò)程較為復(fù)雜，因此氮化鎵極具成本優(yōu)勢(shì)，也代表了功率系統(tǒng)的未來(lái)。

如果再回頭看硅，氮化鎵在功率密度上遙遙領(lǐng)先于硅，因此越來(lái)越多要求高功率密度的場(chǎng)景開(kāi)始接受氮化鎵，目前PI已經(jīng)有70多款產(chǎn)品采用了氮化鎵的技術(shù)。實(shí)際上，此前氮化鎵一般認(rèn)為更適用于75W以上功率，但目前“在30W以上應(yīng)用中，就足以體現(xiàn)出氮化鎵的優(yōu)勢(shì)。”Jason說(shuō)道。

“如果氮化鎵可以應(yīng)用于200kW以下的功率，那么將很容易取代碳化硅和IGBT?！?/p>

另外，PI通過(guò)集成不同種類的功率元件，實(shí)現(xiàn)了為客戶的量身定制?！安⒉皇撬械膽?yīng)用都需要采用氮化鎵，要具體根據(jù)開(kāi)關(guān)頻率，電流等來(lái)確定，有些應(yīng)用無(wú)法體現(xiàn)出氮化鎵的優(yōu)勢(shì)。這不止體現(xiàn)在成本上，還體現(xiàn)在其性能表現(xiàn)上。”Jason說(shuō)道。

比如在LC電路中，由于負(fù)載是電感屬性，因此PI也專門為此類應(yīng)用推出了FredFet快速反向恢復(fù)二極管。

PI PowiGaN的優(yōu)勢(shì)

作為業(yè)界市占率第一的氮化鎵公司，PI的氮化鎵具有著諸多優(yōu)勢(shì)。

第一個(gè)優(yōu)勢(shì)是高度整合，在單芯片中集成了包括開(kāi)關(guān)、保護(hù)、反饋、同步整流以及磁隔離等全部組件，用戶只需要設(shè)計(jì)外圍電路即可，這降低了產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)門檻，減少了產(chǎn)品尺寸，同時(shí)也提高了可靠性。另外，這種高度整合相對(duì)于分立而言，也會(huì)大大降低供應(yīng)鏈風(fēng)險(xiǎn)及管理成本，避免因部分器件缺貨所帶來(lái)的不確定性。

第二個(gè)優(yōu)勢(shì)則是PowiGaN的獨(dú)特架構(gòu)，采用了Cascode（共源共柵）架構(gòu)，通過(guò)MOSFET與氮化鎵并聯(lián)的方式，實(shí)現(xiàn)了器件的常關(guān)。而一些廠商則通過(guò)建立柵極控制勢(shì)壘，即所謂的E-Mode（增強(qiáng)型）來(lái)實(shí)現(xiàn)功率管常關(guān)。

Jason解釋道，對(duì)于E-Mode而言由于其內(nèi)部進(jìn)行了摻雜，所以可靠性可能會(huì)降低，制程難度也較大，另外其驅(qū)動(dòng)電壓裕量較小，并且還需要負(fù)壓防止出現(xiàn)誤導(dǎo)通，因此控制電路實(shí)現(xiàn)起來(lái)較為復(fù)雜。

Cascode技術(shù)相比于E-Mode的優(yōu)勢(shì)

而Cascode模式下，通過(guò)硅MOSFET進(jìn)行控制，無(wú)需考慮負(fù)壓，且耐壓度更高，因此整體電路會(huì)變得簡(jiǎn)單，氮化鎵的工藝也相對(duì)簡(jiǎn)單，具有更加可靠且抗干擾能力等優(yōu)勢(shì)，RDSon也更低。“Cascode由于有兩個(gè)功率管，所以會(huì)相應(yīng)的增加成本、面積與功耗，但PI的MOSFET具有電流檢測(cè)功能，無(wú)需額外的電流檢測(cè)單元，所以總體損失還是可控?！盝ason說(shuō)道。

Jason另外強(qiáng)調(diào)道，盡管采用了代工模式，但PI擁有自己的工藝流程，包括氮化鎵的相關(guān)工藝，所以成本和可靠性可以保證。

在氮化鎵可靠性上，Jason還講了個(gè)有意思的故事。PI在數(shù)年前推出PowiGaN時(shí)，并沒(méi)有宣稱采用了氮化鎵技術(shù)，畢竟彼時(shí)還沒(méi)有太多敢于吃螃蟹的客戶。隨著產(chǎn)品在業(yè)界取得了好評(píng)之后，再加上市場(chǎng)上其他對(duì)手開(kāi)始出現(xiàn)氮化鎵，這時(shí)PI才公開(kāi)了其氮化鎵技術(shù)，在一定程度上打消了客戶的擔(dān)憂。正如PI CEO所說(shuō)：“我們今天研發(fā)的技術(shù)很多是客戶五年后才會(huì)用到的?！?/p>

“PI產(chǎn)品最大的價(jià)值點(diǎn)不只是價(jià)格和性能，產(chǎn)品功能只是一個(gè)基本要求，能不能通過(guò)PI幫助客戶建立品牌優(yōu)勢(shì)，這才是實(shí)力的體現(xiàn)。”Jason總結(jié)道。