用于下一代电力电子的GaN

在上一届Nexperia Power 现场活动中，许多行业领袖讨论了与氮化镓技术相关的不同话题。作为一种材料，在许多应用中，GaN 似乎比硅具有显着的内在优势。显然有许多市场应用受益于 GaN，包括消费、汽车和航天工业中的电源转换器。

GaN 面板有许多行业领导者，包括 Kubos Semiconductor 的 CEO Caroline O‘Brien；里卡多总工程师 Temoc Rodriguez；Hexagem 首席执行官 Mikael Björk；Nexperia 战略营销总监 Dilder Chowdhury 和 Nexperia GaN 应用总监 Jim Honea。Chowdhury 主要致力于 GaN 的中到更高功率，而 Honea 是高压应用的电路设计师。

Kubos Semiconductor 正在开发新技术和一种称为立方氮化镓的新材料。“这是氮化镓的立方体形式，我们不仅可以在 150 毫米及以上的大规模晶圆上生产它，而且有可能将它们扩展到更高的晶圆尺寸，并可以无缝插入现有的生产线，”奥布莱恩说。

Ricardo 正在宽带隙 （WBG） 半导体领域工作，以扩展碳化硅和 GaN 的电气化计划。Rodriguez 指出，Tesla 是第一个采用 SiC 代替 IGBT 的公司，许多公司也在采用包括 GaN 在内的 WBG 解决方案，以期提高效率并减小功率转换器的尺寸和重量。

Björk 谈到了 Hexagem 为降低未来应用的成本和规模优势而开发的高质量硅基 GaN 的开发活动。“我们正在寻求更高的额定电压要求，”Björk 说。

根据 Nexperia 的说法，GaN 等新技术的一大优点是它们在性能上实现了代代相传的巨大飞跃。硅领域的所有重大胜利都已经取得；在技术生命周期的这个阶段，这一切都与渐进式改进有关。

应用

随着降低 CO 2排放的社会压力和法规的增加，从汽车到电信等行业都被推动投资于更高效的电力转换和更多的电气化。传统的硅基功率半导体技术，如绝缘栅双极晶体管（IGBT），在工作频率和速度方面存在基本限制，高温和低电流性能较差。高压 Si FET 的频率和高温性能同样受到限制。因此，WBG 半导体在许多应用中变得越来越流行。

“在应用市场中，随着更小设计占用空间方面的改进，以及由于更高的效率，我认为 GaN 能够实现以前未被认可或广泛应用的应用，例如小型基站，”O’Brien 说。“所以我认为整体较小的系统设计有真正的机会，这为开发新的和令人兴奋的机会开辟了道路。”

图 1：立方氮化镓（来源：Kubos Semiconductor）

正如 Rodriguez 指出的那样，关键特性是开关频率响应。它为 DC/DC 转换器提供高达 5-10 kW 的有趣应用。“这是一种可以在电信和能源以及消费电子产品中考虑的标志，”他说。“有很多应用以 DC/DC 转换器为中心，以提高效率和节能。”

图 2：汽车市场中的 GaN（来源：Ricardo）

Rodriguez 描述了 GaN 在汽车领域的主要应用，如图 2 所示：“在左侧，您可以看到车载充电器和 DC/DC 转换器。目前，车载充电器可以达到 3.3 kW，可能达到 7 kW，或者向 11 kW 或 22 kW 迈进，强调 GaN。电流额定值无法与碳化硅或 IGBT 进行比较。这限制了您可以使用的功率，也促使电路设计人员开始研究并联设备。所以我们肯定是从 DC/DC 转换器开始的。

“我们很容易想象第一个应用是 400V 到 12V 的 DC/DC 转换器，”他继续说道。“因此，这将是从您的高压电池获取电力并为您的 12-V 电池充电并保持电量充足的电池。下一个级别将是将该功率级别增加到 5 kW。当汽车行业转向 800V 电池系统时，真正的挑战就变成了该怎么做。”

Björk 强调了晶圆的重要性以及我们正在关注电压方面越来越高的要求，以及优化 GaN 器件的生产和尽可能降低成本的事实。“现在，150 毫米晶圆是市场地址，但在未来，你可以扩大到 200 毫米晶圆，谁知道，可能会尝试 300 毫米晶圆，”他说。

GaN-on-Si 技术是应用最广泛的一种技术，但在开发方面并没有很好的声誉。Björk 表示，它面临着挑战，而且由于两个主要问题，硅基 GaN 的生长并不容易。

“氮化镓和硅具有非常不同的晶格常数，因此它们不匹配，”他说。“因此，在将 GaN 置于硅上之前，您必须先生长相当先进的不同层堆栈，当您这样做时，会产生许多有害的缺陷、位错、损失和过早损坏。另一个问题是 GaN 和硅之间的热膨胀不匹配，所以当你将其升温到 1，000˚C 左右时，当你冷却这两种材料时，它们会以不同的速度收缩，最终可能会破坏结构。”

图 3 显示了 Hexagem 在非常薄的 100 纳米硅晶片上开发的新技术。Björk 表示，通过对这个表面进行建模，可以生长出无缺陷的 GaN 柱。“已经开发出一种将这些柱子融合成平面层的方法，”他说。“我们正在致力于在其他半导体上开发这种工艺。”

图 3：Hexagem 合并的 GaN-on-Si（来源：Hexagem）

Honea 强调了汽车行业的重要性。车载充电器、DC/DC 转换器、牵引逆变器和辅助逆变器都是 GaN 的重要电气化机会。“电动汽车用大型电池的开发正在创造许多过去没有人想象过的应用，”Honea 说。

Chowdhury 说，由于 Q rr低或几乎没有 Q rr，这有助于降低滤波器设计，从而使设计更加简单。它大大提高了切换性能。如果对栅极驱动电路有很好的理解，可以很容易地并行使用 GaN 功率晶体管。合适的去耦缓冲电路有助于轻松并联功率 GaN FET。最困难的问题是处理高电压和开关频率，许多工程师以前可能从未使用现有的硅技术处理过这些问题。

GaN 功率半导体作为下一代高性能电动汽车的关键组件越来越受到关注，有助于减小尺寸和重量，同时提高效率。这些注意事项解决了与范围有关的问题。工程师可以使用 GaN 来创建比基于硅的系统小 4 倍、更轻、能量损失少 4 倍的电力电子系统。零反向恢复可降低电池充电器和牵引逆变器中的开关损耗，以及更高的频率和更快的开关速率是其中的好处。此外，减少开关导通和关断损耗有助于减少电容器、电感器和变压器的重量和体积，用于电动汽车充电器和逆变器等应用。

WBG 技术正在提供解决方案，因为电源转换器设计人员正在寻找提高其设计效率和功率密度的方法。GaN 晶体管正日益成为解决方案，但与其硅晶体管一样，单个器件的电流处理能力仍有上限。并行使用此类设备是一种常见方法。“使用 GaN 的一个有趣的事情是我们可以扩展尺寸，”Honea 说。“通过并联 GaN 晶体管，我们可以扩展功率。但是，如果将它们并联，则会增加共振，并且必须确保不会激发和放大它们。”

设计方面

Rodriguez 表示，Ricardo 多年来一直与 SiC 合作开发牵引逆变器解决方案。Ricardo 在该应用领域对 GaN 进行了测试（图 4），将两个 30 kW 应用置于同一级别。“从模拟中，您会看到峰值的差异，如图 4 所示，”罗德里格斯说。“我认为这里最引人注目的图表是关于损耗如何分布的饼图，这很有趣，因为它表明在碳化硅中，您可以将转换器设计为具有大致相等的开关损耗和传导损耗。在这种情况下，大部分损耗为 63% 的开关损耗，其余为传导损耗，但在氮化镓逆变器中，事物发生了变化。换句话说，几乎消除了开关损耗，

“现在，当然，您可能决定并联设备，增加成本，这将减少您的传导损耗，而不会对您的开关损耗产生太大影响，”他补充道。“虽然你不能用碳化硅做到这一点，但开关损耗是存在的，并且通过并联设备会变得更糟。所以这是氮化镓的一个关键点，也是为什么我认为它会在不久的将来成为主导技术的原因。”

图 4：用于 30 kW 牵引逆变器的 GaN 与 SiC（来源：Ricardo）

使用 GaN 时，开关损耗也显着降低。通过使用 GaN 技术提高开关的开启速度，可以最大限度地减少在此过渡期间发生的损耗。通过提高开关频率，许多大型组件的尺寸都会缩小（例如变压器、电感器和输出电容器）。与硅相比，GaN 具有更大的热导率并且可以承受更高的温度。两者都有助于减少对热管理组件（例如庞大的散热器和冷却装置）的要求，从而显着节省电源尺寸和重量。

供应链

同时设计产品和供应链的能力正在成为制造公司的一项关键能力。“GaN-on-Si 的最大优势之一是它是在硅衬底上生长的，所以它现在是 150 毫米，并且正在努力达到 200 毫米，目前大多数反应堆都可以容纳这两者，”Chowdhury 说。“在这种情况下，实际上增加反应堆的数量可以增加晶圆厂的初始供应材料。世界各地有许多硅晶圆厂，增加现有硅晶圆厂的产能要容易得多。对于芯片级或封装级的后端，我们有一个垂直组织，我们在远东和全球的多个站点拥有自己的封装。这使我们能够进行批量生产，特别是对于封装设备。显然，在芯片层面，我们投入了大量资金来增加产能并满足需求。所以我希望这能让我们初步了解我们正在努力应对的供应链挑战。”

O‘Brien 认为，无论是垂直整合的供应链、纯代工厂还是化合物半导体，该行业都必须开始准备。几乎所有行业对零部件的需求都在同时上升，尤其是在汽车、智能手机、医疗和工业领域，这些行业需要越来越多的成品零部件。竞争环境的突然变化会给供应链和分销链带来负担，造成物流和交货时间问题，以及由于关键的供应商关闭或停产而导致的放缓。

审核编辑：彭静

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