未來十年氮化鎵市場規(guī)模有望突破10億美元

硅基氮化鎵(GaN)技術(shù)這幾年來有了很大的發(fā)展，產(chǎn)品種類越來越豐富，參與的公司也越來越多。除了再硅基氮化鎵領(lǐng)域耕耘多年的MACOM，還有EPC(宜普電源轉(zhuǎn)換公司)、GaN System、Transphorm、Navitas等初創(chuàng)公司，以及英飛凌、安森美、意法半導(dǎo)體、松下和TI等行業(yè)巨頭也參與了競爭。

今年11月28日，英飛凌宣布其硅基氮化鎵產(chǎn)品開始量產(chǎn)。在其新聞發(fā)布會上，英飛凌發(fā)布了采用氮化鎵材料的CoolGaN增強型HEMT和氮化鎵開關(guān)管專用驅(qū)動芯片(GaN EiceDRIVER IC)，這是英飛凌的首款氮化鎵產(chǎn)品。英飛凌科技奧地利股份有限公司電源管理與多元化事業(yè)部資深市場營銷經(jīng)理鄧巍介紹了則介紹了這兩個技術(shù)和產(chǎn)品的技術(shù)細(xì)節(jié)。

圖1：英飛凌科技奧地利股份有限公司電源管理與多元化事業(yè)部資深市場營銷經(jīng)理鄧巍在介紹英飛凌CoolGaN的技術(shù)細(xì)節(jié)。

未來十年氮化鎵市場規(guī)模有望突破10億美元

雖然目前市面上的應(yīng)用主要以硅基器件為主，但在一些高功率、高電壓應(yīng)用中，硅基器件有些捉襟見肘，而氮化鎵和碳化硅卻能很好地滿足這些應(yīng)用場景。這主要是因為，他們屬于寬禁帶半導(dǎo)體材料，與硅等傳統(tǒng)的半導(dǎo)體材料相比，具有更寬的帶隙。其中硅的帶隙是1.1電子伏特，氮化鎵是3.4電子伏特。

圖2：硅、氮化鎵和碳化硅三種技術(shù)的不同應(yīng)用場景。

在鄧巍看來，未來很長一段時間內(nèi)，硅基器件、氮化鎵和碳化硅這三種技術(shù)會共存，而且硅基器件還將會是主流，但在一些高性能、高端產(chǎn)品中硅基器件性能不能滿足要求的一些場合，氮化鎵和碳化硅會是一種補充。目前氮化鎵主要應(yīng)用在100V~600V的應(yīng)用場景中，碳化硅則比較適合600V~3.3kV的應(yīng)用場合。

鄧巍認(rèn)為，氮化鎵產(chǎn)品目前處于技術(shù)成熟度曲線的第二個攀升階段，也就是說它的熱潮時間段已經(jīng)過去，走出了泡沫化的低谷期，進(jìn)入了穩(wěn)步爬升的光明期，“現(xiàn)在正是氮化鎵產(chǎn)品和技術(shù)發(fā)展的良機。”

圖3：GaN技術(shù)成熟度曲線。

他樂觀地估計，未來十年，基于氮化鎵的器件市場總值有望超過10億美元。市場分布方面，他認(rèn)為電源類產(chǎn)品將會占到整個市場的40%;汽車類應(yīng)用起步比較晚，但成長非?？臁｀囄∫蔡岬搅擞w凌的氮化鎵產(chǎn)品的目標(biāo)市場是，服務(wù)器、電信、無線充電、音頻和適配器等市場。

“當(dāng)然，氮化鎵不僅限于這些應(yīng)用，我們希望更多的領(lǐng)域來嘗試我們的氮化鎵產(chǎn)品，比如說太陽能、照明、消費電子和電視等等。”他補充說。

CoolGaN有何特別之處?

目前市面上關(guān)于氮化鎵的解決方案，有三種不同的趨勢：

1.分立式+外部驅(qū)動器;

2.多片集成，開關(guān)和驅(qū)動雖然是不同的襯底，但是封裝在同一個殼子里;

3.單片集成，氮化鎵的開關(guān)、驅(qū)動、其他器件作為同襯底的一個解決方案。

不同的公司有著不同的氮化鎵解決方案，但就成熟度來說，“分離器器件是目前最成熟的一種解決方案。”鄧巍表示，“但漸漸地，氮化鎵可以在多片集成和單片集成中也體現(xiàn)出優(yōu)勢。”而英飛凌希望在這三個方面都有所成就。

談到英飛凌剛剛量產(chǎn)的600V CoolGaN技術(shù)，鄧巍自豪地表示，“CoolGaN是英飛凌‘氮化鎵(GaN)增強模式高電子遷移率晶體管(E-HEMT)’產(chǎn)品系列，采用了與松下合作開發(fā)的常閉式概念解決方案，可以是器件獲得更長的使用壽命。”

圖4：英飛凌的常閉型氮化鎵產(chǎn)品原理。

鄧巍解釋說，在P型氮化鎵電阻柵中，柵極電壓超出正向電壓時，空穴注入，如果不在柵極做任何動作的話，在中間層就會有電子流動，“也就是說，它是一個常開型器件。”

而目前大家經(jīng)常使用的硅基器件都是常閉型器件，大家已經(jīng)熟悉了常閉型的理念。“因此，我們在技術(shù)細(xì)節(jié)和工藝上做了一些改動，在柵極加了P-GaN，使常開型的氮化鎵器件變成了工程師比較容易理解的常閉型氮化鎵器件。”鄧巍這樣解釋。

“其實氮化鎵有一個業(yè)界比較棘手的問題，叫做動態(tài)RDS(ON)，不過因為我們在漏極引入了P-GaN，它可以中和陷在漏極的電子，這樣就可以從技術(shù)上解決動態(tài)RDS(ON)在開關(guān)的時候有很多電子被陷在漏極不流通的問題。”他詳細(xì)介紹說。

對于CoolGaN的封裝形式問題，鄧巍強調(diào)，“氮化鎵在高頻情況下能夠無損地開關(guān)，我們不想因為封裝原因而把它的優(yōu)勢抹殺掉，所以我們引入了SMD貼片式封裝，英飛凌可以根據(jù)不同的客戶、不同的需求提供不同的產(chǎn)品給他們，有的客戶要求散熱性能更好，有的客戶要求體積更小，我們分別提供不同封裝的產(chǎn)品。”

氮化鎵器件讓電源設(shè)計更簡單

雖然英飛凌的高壓氮化鎵增強模式HEMT可以由其他廠商提供的驅(qū)動芯片來驅(qū)動，但鄧巍還是建議使用英飛凌的官方配套驅(qū)動芯片，“因為氮化鎵開關(guān)管驅(qū)動芯片EiceDRIVER IC——1EDF5673K、1EDF5673F和1EDS5663H是CoolGaN增強型HEMT最好的搭檔，它們可以確保CoolGaN開關(guān)實現(xiàn)強健且高效的運行，同時最大限度地減少工程師研發(fā)工作量，加快將產(chǎn)品推向市場。”

圖5：英飛凌專用氮化鎵驅(qū)動芯片等效電路圖及工作過程。

鄧巍解釋說，不同于傳統(tǒng)功率MOSFET的柵極驅(qū)動IC，這個針對英飛凌CoolGaN量身定制的柵極驅(qū)動IC可提供負(fù)輸出電壓，以快速關(guān)斷氮化鎵開關(guān)。在開關(guān)應(yīng)處于關(guān)閉狀態(tài)的整個持續(xù)時間內(nèi)，GaN EiceDRIVER IC可以使柵極電壓穩(wěn)定保持為零。這可保護(hù)氮化鎵開關(guān)不受噪音導(dǎo)致誤接通的影響，哪怕是首脈沖，這對于SMPS實現(xiàn)強健運行至關(guān)重要。氮化鎵柵極驅(qū)動IC可實現(xiàn)恒定的GaN HEMT開關(guān)轉(zhuǎn)換速率，幾乎不受工作循環(huán)或開關(guān)速度影響。這可確保運行穩(wěn)健性和很高能效，大大縮短研發(fā)周期。它集成了電隔離，可在硬開關(guān)和軟開關(guān)應(yīng)用中實現(xiàn)強健運行。它還可在SMPS一次側(cè)和二次側(cè)之間提供保護(hù)，并可根據(jù)需要在功率級與邏輯級之間提供保護(hù)。

鄧巍拿1EDF5673 氮化鎵驅(qū)動器評估板在1 MHz 的情況下開關(guān)CoolGaN舉例說明了CoolGaN和驅(qū)動器配合使用的情況。

圖6：1EDF5673 氮化鎵驅(qū)動器評估板在1 MHz 的情況下開關(guān)CoolGaN。

在這個評估版中，使用的是一個半橋結(jié)構(gòu)，由高端和低端。當(dāng)高端打開時，低端是關(guān)斷的;當(dāng)?shù)投岁P(guān)斷時，負(fù)電壓負(fù)責(zé)關(guān)斷它，然后打開高端。也就是說，在打開另一側(cè)時，這一側(cè)的驅(qū)動必須是負(fù)電壓狀態(tài)。“原因是氮化鎵是一個常開型產(chǎn)品，英飛凌做成了常閉型產(chǎn)品，但是常閉型產(chǎn)品的柵極電壓比較低，大概是1~1.5V左右，它很容易誤打開。如果一端打開了，另一端被誤打開了，那整個器件就導(dǎo)通了，那它就失效了。”鄧巍詳細(xì)地解說。

談到氮化鎵產(chǎn)品的優(yōu)勢，鄧巍指出，氮化鎵產(chǎn)品能夠在半橋拓?fù)渲袑崿F(xiàn)硬開關(guān)，優(yōu)勢是靈活、高效、系統(tǒng)成本比較低。“我們用自己的氮化鎵產(chǎn)品做了一個PFC板，能夠在10%~100%的負(fù)載情況下，達(dá)到穩(wěn)定率高于99%的效率，峰值達(dá)到了99.3%。”

圖7：氮化鎵產(chǎn)品的優(yōu)勢。

也就是說使用氮化鎵產(chǎn)品的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計更簡單、效率更高、體積更小，以及系統(tǒng)成本會更低。

對此，Bel Power Solutions研發(fā)部電子設(shè)計助理經(jīng)理陳偉深有體會，他們已經(jīng)成功設(shè)計了一款基于英飛凌氮化鎵產(chǎn)品的6kW ACDC電源，并用在了Face book的數(shù)據(jù)中心上。

據(jù)陳偉介紹，通過應(yīng)用氮化鎵器件，讓他們的整個電源設(shè)計達(dá)到了更高的效率，而且在體積方面也做到了最優(yōu)。