用于下一代電力電子的 GaN 出現(xiàn)

荷蘭芯片制造商Nexperia贊助的最近行業(yè)活動(dòng)的參與者表示，汽車、消費(fèi)和航空應(yīng)用中的功率轉(zhuǎn)換等應(yīng)用正在利用氮化鎵 (GaN)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。

例如，Kubos Semiconductor 正在開(kāi)發(fā)一種稱為立方 GaN 的新材料。“它是立方氮化鎵，我們不僅可以在 150 毫米及以上的大型晶圓上生產(chǎn)它，而且還可以擴(kuò)展到更大的晶圓尺寸，并可以無(wú)縫插入現(xiàn)有的生產(chǎn)線，”Kubos 首席執(zhí)行官 Caroline 說(shuō)奧布萊恩。

其他人正在努力擴(kuò)大寬帶隙 (WBG) 半導(dǎo)體在電源管理中的應(yīng)用范圍。英國(guó)電氣化專家 Ricardo 正在擴(kuò)大其使用 GaN 和碳化硅技術(shù)的電力工作。

Ricardo 的首席工程師 Temoc Rodriguez 指出，特斯拉是第一家使用SiC 代替絕緣柵雙極晶體管 (IGBT)的汽車制造商，這引發(fā)了更多使用 WBG 材料以提高功率效率，同時(shí)減小功率轉(zhuǎn)換器的尺寸和重量的趨勢(shì)。

在其他地方，Hexagem 首席執(zhí)行官 Mikael Bj?rk 描述了這家瑞典公司開(kāi)發(fā)的 GaN-on-silicon 技術(shù)，旨在降低成本，同時(shí)增加未來(lái)應(yīng)用的規(guī)模優(yōu)勢(shì)?！拔覀冋趯で蟾叩念~定電壓要求，”Bj?rk 說(shuō)。

活動(dòng)贊助商 Nexperia 指出，每一代 GaN 技術(shù)的性能都在穩(wěn)步提升，這些收益可能會(huì)超過(guò)硅目前的成本優(yōu)勢(shì)。支持者認(rèn)為，這些進(jìn)步是在硅技術(shù)的漸進(jìn)式改進(jìn)是微不足道的。

應(yīng)用

CO2碳排放的壓力越來(lái)越大，從汽車到電信等工業(yè)部門正被推動(dòng)投資于更高效的電力轉(zhuǎn)換和電氣化。IGBT 等硅基功率半導(dǎo)體技術(shù)在工作頻率和速度方面存在基本限制。它們還表現(xiàn)出較差的高溫和低電流性能。高壓 Si FET 的頻率和高溫性能同樣受到限制。

這些限制促使更多的應(yīng)用設(shè)計(jì)者考慮使用 WBG 半導(dǎo)體。

Kubos Semiconductor 的 O'Brien 表示：“在應(yīng)用市場(chǎng)中，隨著更小的設(shè)計(jì)尺寸以及更高的效率，我認(rèn)為 GaN 能夠?qū)崿F(xiàn)以前未被認(rèn)可或廣泛使用的應(yīng)用，例如小型基站?！?. “對(duì)于更小的系統(tǒng)設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)真正的機(jī)會(huì)?！?

一個(gè)關(guān)鍵特性是開(kāi)關(guān)頻率響應(yīng)，特別是在 DC/DC 轉(zhuǎn)換器高達(dá) 5–10 kW 的應(yīng)用中?！斑@是一種可以在電信和能源領(lǐng)域以及消費(fèi)電子產(chǎn)品中考慮的標(biāo)記，”羅德里克斯補(bǔ)充道?！坝泻芏嘁?DC/DC 轉(zhuǎn)換器為中心的應(yīng)用可以提高效率并節(jié)省能源?！?

除了更高的電壓，Hexagem 的 Bj?rk 還強(qiáng)調(diào)晶圓縮放，同時(shí)優(yōu)化 GaN 器件的生產(chǎn)以降低成本。“目前，150 毫米晶圓是市場(chǎng)地址，但未來(lái) [生產(chǎn)] 可以擴(kuò)展到 200 毫米晶圓。而且，誰(shuí)知道呢，可能會(huì)有 300 毫米晶圓的嘗試，”Bj?rk 預(yù)測(cè)道。

GaN-on-Si 技術(shù)是應(yīng)用最廣泛的技術(shù)之一，但在器件開(kāi)發(fā)方面并沒(méi)有很好的聲譽(yù)。

“氮化鎵和硅具有非常不同的晶格常數(shù)，因此它們不匹配，”Bj?rk 說(shuō)?！霸趯?GaN 放在硅上之前，您必須生長(zhǎng)出相當(dāng)先進(jìn)的不同層堆疊。當(dāng)你這樣做時(shí)，你會(huì)產(chǎn)生許多有害的缺陷、錯(cuò)位、損失和過(guò)早損壞。

“另一個(gè)問(wèn)題是 GaN 和硅之間的熱膨脹失配，”他補(bǔ)充道?！爱?dāng)你把它提高到大約 1000?C 時(shí)，當(dāng)你冷卻這兩種材料時(shí)，它們會(huì)以不同的速度收縮，你最終可能會(huì)破壞結(jié)構(gòu)?！?

與此同時(shí)，從車載充電器和 DC/DC 轉(zhuǎn)換器到牽引和輔助逆變器的汽車應(yīng)用都在使用 GaN 技術(shù)，Nexperia 的 GaN 應(yīng)用總監(jiān) Jim Honea 說(shuō)。“用于電動(dòng)汽車的大型電池的開(kāi)發(fā)正在創(chuàng)造許多過(guò)去無(wú)法想象的應(yīng)用，”Honea 說(shuō)。

此外，Nexperia 的 Dilder Chowdhury 指出，低 Q _rr或反向恢復(fù)電荷有助于簡(jiǎn)化濾波器設(shè)計(jì)，從而提高開(kāi)關(guān)性能。GaN 功率晶體管也可以與通用柵極驅(qū)動(dòng)電路并聯(lián)使用。高電壓和開(kāi)關(guān)頻率是最大的挑戰(zhàn)，尤其是對(duì)硅工程師而言。

隨著 EV 制造商尋求提高行駛里程，GaN 功率 IC 作為一種在提高效率的同時(shí)減小尺寸和重量的方法正在獲得牽引力。

GaN 可用于設(shè)計(jì)功率電子系統(tǒng)，該系統(tǒng)體積小四倍，重量輕四倍，與基于硅的系統(tǒng)相比具有可比的能量損失。零反向恢復(fù)可減少電池充電器和牽引逆變器的開(kāi)關(guān)損耗，以及更高的頻率和更快的開(kāi)關(guān)速率等優(yōu)勢(shì)。

此外，降低開(kāi)關(guān)中的開(kāi)啟和關(guān)閉損耗有助于減少 EV 充電器和逆變器等應(yīng)用中的電容器、電感器和變壓器的重量和體積。

支持者還斷言 WBG 技術(shù)為電源轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)人員提供了提高效率和功率密度的新方法。與它們的硅對(duì)應(yīng)物一樣，單個(gè) GaN 器件的電流處理能力仍然有其上限。并行實(shí)現(xiàn) GaN 器件是一種常見(jiàn)的方法。

Honea 說(shuō)，然后可以縮放 GaN 尺寸?！巴ㄟ^(guò)并聯(lián) GaN 晶體管，我們可以擴(kuò)展功率。然而，如果你把它們平行放置，你就會(huì)增加共振，你必須確保你不會(huì)激發(fā)和放大它們?！?