瑞薩電子通過下一代功率FET將GaN推向千瓦級(jí)

“瑞薩電子正在加倍投入氮化鎵，”該公司氮化鎵電源業(yè)務(wù)副總裁兼 Transphorm 的聯(lián)合創(chuàng)始人 Primit Parikh 說，Transphorm 是一家功率半導(dǎo)體初創(chuàng)公司，該公司于 2024 年收購。他指出，瑞薩電子還暫停了碳化硅 （SiC） 器件和 IGBT 的開發(fā)，以專注于擴(kuò)大其在數(shù)據(jù)中心等快速增長(zhǎng)的市場(chǎng)的足跡，在這些市場(chǎng)中，氮化鎵可實(shí)現(xiàn)更緊湊、更高效的功率轉(zhuǎn)換。他補(bǔ)充說，“氮化鎵最終將取代硅和碳化硅器件的許多應(yīng)用。

Parikh 表示，新戰(zhàn)略旨在構(gòu)建更完整、更具競(jìng)爭(zhēng)力的 GaN 功率 FET 路線圖，通過并聯(lián)將寬禁帶半導(dǎo)體推向從數(shù)十瓦到超過 100 kW 的功率水平。該公司現(xiàn)在正在投資他所謂的“氮化鎵生態(tài)系統(tǒng)——一種基于產(chǎn)品的產(chǎn)品。我們所說的氮化鎵生態(tài)系統(tǒng)是指氮化鎵器件、驅(qū)動(dòng)器、控制器、IC 和解決方案。

瑞薩電子還將生產(chǎn)從 150 毫米硅基氮化鎵晶圓轉(zhuǎn)變?yōu)?200 毫米硅基氮化鎵晶圓，以降低成本。“氮化鎵的成本變得非常有競(jìng)爭(zhēng)力，制造也正在擴(kuò)展到更大直徑的晶圓，”Parikh 指出。

D模式和E模式功率氮化鎵的區(qū)別

新的Gen IV Plus系列利用了該公司的SuperGaN技術(shù)，這是一種由Transphorm開發(fā)的強(qiáng)大的耗盡模式（d模式）、常關(guān)架構(gòu)，以及瑞薩電子易于冷卻的封裝。

與硅 MOSFET 不同，d 模式器件默認(rèn)處于“導(dǎo)通”狀態(tài)，使電流能夠在沒有任何柵極電壓的情況下從源極流向漏極。因此，必須通過向器件的柵極施加負(fù)電壓來有意關(guān)閉功率晶體管。

為確保功率器件保持關(guān)閉狀態(tài)，封裝內(nèi)放置了一個(gè)單獨(dú)的硅 FET 來控制 GaN 的柵極電壓。MOSFET 與電源中的柵極驅(qū)動(dòng)器連接，每個(gè)周期打開和關(guān)閉 GaN。

這與更廣泛使用的增強(qiáng)模式或e模式器件形成鮮明對(duì)比，后者類似于標(biāo)準(zhǔn)硅MOSFET。在e模式下，功率晶體管通常處于“關(guān)斷”狀態(tài)，并在正柵極電壓下導(dǎo)通。這些器件在器件柵極的正下方加入了一小塊 GaN（也稱為 p 型摻雜 GaN），以保持晶體管關(guān)閉。

Parikh 說，雖然這些 FET 相對(duì)容易驅(qū)動(dòng)，但它們會(huì)給制造過程增加很多復(fù)雜性，從而影響高壓下的性能。

雖然e模式仍然是低壓GaN的黃金標(biāo)準(zhǔn)，但瑞薩電子解釋說，d模式在高壓、多千瓦級(jí)電力系統(tǒng)中具有潛力，在這些系統(tǒng)中，性能、效率和冷卻是痛點(diǎn)。

e-mode器件的權(quán)衡之一是，隨著溫度的升高，飽和電流（IDsat）可能會(huì)降低約50%。IDsat是指功率晶體管完全導(dǎo)通時(shí)從漏極流向源極的最大電流。Parikh表示，即使在千瓦功率水平的典型高工作溫度下，其d模式器件也可以提供比e模式多得多的電流?！斑@意味著您可以以更高的效率從更小的芯片中獲得更多的功率?！?/p>

另一個(gè)權(quán)衡源于 GaN 的一個(gè)稱為“動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻”的特性，這意味著器件的導(dǎo)通電阻取決于器件在導(dǎo)通電流時(shí)的擊穿電壓。更高的額定電壓（例如 650 V）意味著更高的導(dǎo)通電阻，這最終轉(zhuǎn)化為更高的功率損耗。瑞薩電子表示，其 d 模式器件不像 e 模式那樣受動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻的影響。

最重要的是，該公司表示，d-mode 架構(gòu)可以處理更高的閾值電壓（高達(dá) 4 V），這是目前 e 模式無法實(shí)現(xiàn)的。因此，據(jù)瑞薩電子稱，客戶可以避免使用負(fù)柵極驅(qū)動(dòng)電壓，而 e 模式器件經(jīng)常需要負(fù)柵極驅(qū)動(dòng)電壓，以提高抗噪性。處理更高電壓的能力還降低了電壓過沖的風(fēng)險(xiǎn)，從而增強(qiáng)了其在處理千瓦功率時(shí)的可靠性。在e模式下工作的GaN功率FET的典型閾值為1.5至1.7 V。

瑞薩電子表示，SuperGaN 還因其靈活性而脫穎而出。在許多情況下，需要特殊的高性能柵極驅(qū)動(dòng)器IC才能領(lǐng)先于e模式器件的更快開關(guān)頻率。通過在器件前端使用硅 MOSFET，其 GaN 功率 FET 可與標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)成柵極驅(qū)動(dòng)器配合使用，并且柵極驅(qū)動(dòng)電壓可以根據(jù)客戶的要求進(jìn)行配置。廣泛的兼容性有助于簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)并簡(jiǎn)化 GaN 與高密度電源系統(tǒng)的集成。

最后一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是魯棒性。雖然e模式器件可以處理6至8 V之間相對(duì)有限的柵極電壓范圍，但新的d模式器件的工作電壓最高為±18 V。因此，SuperGaN 技術(shù)可以比大多數(shù)其他 GaN 功率器件承受更多的噪聲。這有助于防止功率晶體管因器件柵極處的瞬態(tài)電壓而意外導(dǎo)通，這通常是由噪聲引起的。

瑞薩電子表示，通過降低柵極過應(yīng)力風(fēng)險(xiǎn)，它可以在 TO-247 和 TO-220 等傳統(tǒng)功率封裝中提供 GaN 器件，而無需額外的保護(hù)，從而能夠?yàn)楝F(xiàn)有的高功率設(shè)計(jì)進(jìn)行直接升級(jí)。

數(shù)字：瑞薩電子的高壓 GaN 功率 FET

瑞薩電子基于與其第四代平臺(tái)相同的超級(jí)氮化鎵技術(shù)，對(duì)芯片設(shè)計(jì)和工藝技術(shù)進(jìn)行了廣泛的改進(jìn)，以突破氮化鎵的性能界限。

氮化鎵電源開關(guān)的主要特性之一是其通道中電子的高遷移率，通道在器件柵極下方運(yùn)行，電流在源極和漏極之間流動(dòng)。這使得它的開關(guān)頻率比硅高得多，不僅可以實(shí)現(xiàn)更高效的功率轉(zhuǎn)換，還可以減小系統(tǒng)中磁性元件和無源器件的尺寸，從而節(jié)省系統(tǒng)級(jí)成本。

瑞薩電子表示，基于比 Gen IV 技術(shù)小 14% 的芯片，Gen IV Plus 將導(dǎo)通電阻降低了相同百分比，達(dá)到 30 mΩ，從而減少了開關(guān)功率損耗和相關(guān)熱量。

它還提高了功率 FET 的開關(guān)性能，包括導(dǎo)通電阻乘以柵極電荷 （Qg） 提高了 50%，Parikh 稱之為主要的“輸入品質(zhì)因數(shù)”。Qg 是打開和關(guān)閉功率晶體管所需的總電荷，是確定器件在高頻電源中功率損耗的關(guān)鍵之一。

瑞薩電子表示，Gen IV Plus 還帶來了 20% 的電阻乘以輸出電容 （Qoss） 的改進(jìn)——Parikh 稱之為主要的“輸出品質(zhì)因數(shù)”。

據(jù)該公司稱，通過以較低的柵極電荷、較低的輸出電容和較低的動(dòng)態(tài)電阻來最大限度地減少功率損耗，并在實(shí)際條件下最大限度地提高穩(wěn)健性，Gen IV Plus 不僅可以與電力電子領(lǐng)域的硅競(jìng)爭(zhēng)，還可以與 SiC 競(jìng)爭(zhēng)。

雖然 GaN 在較高頻率下占主導(dǎo)地位，但人們普遍認(rèn)為 SiC 在更適中的開關(guān)速度下優(yōu)于 GaN。但 Parikh 解釋說，GaN 的材料特性，包括其更高的電子遷移率和跨導(dǎo)性，有可能使其在整個(gè)頻率范圍內(nèi)處于領(lǐng)先地位?！坝捎陔娏ο到y(tǒng)需要變得緊湊，因此需要更高的頻率，因此每個(gè)人都在關(guān)注超過 500 kHz 的頻率，而 GaN 本身能夠在 1 MHz 范圍內(nèi)達(dá)到更高的頻率。”

為了支持這一說法，瑞薩電子表示，它在 100 kW 服務(wù)器電源單元中以 3.6 kHz 左右的中等頻率測(cè)試了新型 GaN FET。與 SiC MOSFET 相比，GaN 器件的功率損耗降低了 10% 至 30%。SiC 正在成為 AC-DC 服務(wù)器電源中半橋升壓功率因數(shù)校正 （PFC） 級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)，AC-DC 電源是數(shù)據(jù)中心電源架構(gòu)的關(guān)鍵組成部分。Parikh 表示，GaN 在中等頻率下?lián)魯×?SiC，并且在較高的速率下差距會(huì)擴(kuò)大。

“GaN 的損耗降低了 10% 到 30%，這在 4、5、6、10 千瓦的水平上非常顯著，”Parikh 說，“你只能想象，當(dāng)你開始擴(kuò)展到 1 兆瓦的數(shù)據(jù)中心機(jī)架功率時(shí)，減少 10% 到 30% 的損耗可以幫助實(shí)現(xiàn)什么。

生態(tài)系統(tǒng)：柵極驅(qū)動(dòng)器、控制器和 GaN 保護(hù)

瑞薩電子表示，650V GaN FET 已經(jīng)投入生產(chǎn)，目標(biāo)是 1.2 至 7.5 kW 的數(shù)據(jù)中心電源。這些器件正在部署在高效拓?fù)渲?，包括圖騰柱 PFC AC-DC 級(jí)和 LLC DC-DC 轉(zhuǎn)換器。展望未來，瑞薩電子正準(zhǔn)備將其高壓氮化鎵技術(shù)推廣到數(shù)據(jù)中心和工業(yè)電源系統(tǒng)的 800 V 和 400 V 高壓直流 （HVDC） 架構(gòu)中。

Gen IV Plus 產(chǎn)品還被其他大功率市場(chǎng)采用，例如可再生能源逆變器和高性能游戲 PC 電源，在這些市場(chǎng)中，熱量是主要的設(shè)計(jì)限制之一。

作為其在 GaN 領(lǐng)域更廣泛雄心的一部分，瑞薩電子正在開發(fā)所謂的“GaN 生態(tài)系統(tǒng)”，將把其 GaN 功率器件與柵極驅(qū)動(dòng)器、控制器和保護(hù)電路緊密集成在同一封裝或 PCB 上。這種系統(tǒng)級(jí)策略旨在將氮化鎵從消費(fèi)類快速充電器轉(zhuǎn)移到更高功率、對(duì)熱要求更高的環(huán)境，例如電動(dòng)汽車中的車載充電器 （OBC） 和牽引逆變器。

Parikh 表示：“無論是用作獨(dú)立 FET，還是與瑞薩電子控制器或驅(qū)動(dòng)器集成到完整的系統(tǒng)解決方案設(shè)計(jì)中，這些器件都將為設(shè)計(jì)具有更高功率密度、更小占地面積和更高效率的產(chǎn)品提供一條清晰的途徑，同時(shí)降低系統(tǒng)總成本。

瑞薩電子還將其氮化鎵開發(fā)擴(kuò)展到低壓領(lǐng)域，使其能夠在 d 模式下覆蓋超過 600 V 的高電壓和在 e 模式下覆蓋低于 200 V 的電壓。氮化鎵在服務(wù)器電源和服務(wù)器中的 48 至 12V DC-DC 轉(zhuǎn)換器中的同步整流方面越來越受歡迎。該公司表示，通過提供這兩種類型的功率 FET，它可以填補(bǔ)當(dāng)前和未來機(jī)架架構(gòu)中的更多空白。

再往后，瑞薩電子計(jì)劃通過用于數(shù)據(jù)中心的 650V 雙向 GaN 功率 FET 擴(kuò)展其產(chǎn)品組合。這些設(shè)備針對(duì)超大規(guī)模企業(yè) Google、Meta 和 Microsoft 提出的分解式電源架構(gòu)。

“我們有豐富的氮化鎵器件路線圖，”Parikh 說。