爱游戏-GaN， “镓”驭全功率 ——高压大功率应用，氮化镓前景可期

2024-08-03

[导读]功率半导体范畴已有良多年未产生系统性手艺变化，今朝热点的宽禁带（WBG）功率器件已最先占有本身所“善于”的市场范畴——氮化镓（GaN）功率器件利用从快充起步已取得显著的贸易化进展，EV的逆变器则率先采取了碳化硅（SiC）。功率半导体范畴已有良多年未产生系统性手艺变化，今朝热点的宽禁带（WBG）功率器件已最先占有本身所“善于”的市场范畴——氮化镓（GaN）功率器件利用从快充起步已取得显著的贸易化进展，EV的逆变器则率先采取了碳化硅（SiC）。但是，最近几年来GaN向“全功率”市场的扩大，预示电力电子利用市场将不再“海不扬波”，有迹象注解，氮化镓有望改写功率半导体范畴的竞争款式。功率器件市场的布局性重塑 Yole 2023年的统计猜测显示（图1），将来五年内功率器件市场范围将从209亿美元扩年夜到333亿美元，今朝仍主导市场的传统MOSFET和IGBT器件的市场占比同期年夜幅降落，而SiC和GaN功率器件市场份额有望在2028年即到达三成。图1：SiC和GaN功率器件市场份额将在2028年到达30% （资料来历：Yole 2023）电力电子利用看好宽禁带化合物半导体功率器件，是由于基在GaN或SiC的开关电源消耗小、工作频率高，在功率密度、靠得住性和下降（系统）本钱等方面有着较着优势。这些优势得益在材料的诸多特征，如更宽的带隙、高临界场强、更高的电子迁徙率。基在这类材料的功率器件，导通电阻能做到很小，并可以或许工作在更高的电压下——比拟之下，传统硅基器件则到达了机能极限。 Omdia对功率器件利用市场组成进行的阐发注解，高压年夜功率利用市值占80%以上，包罗工业、汽车、计较与存储等范畴（图2）。此中，夹杂/纯电动汽车(HEV/EV）极可能是这场竞争的主竞技场，这不但由于纯电动汽车的“硅含量”是内燃机车的2.5倍，并且2027年全球电动汽车的销量将跨越燃油车（Omdia 2024）。图2：高压年夜功率利用占功率器件市值80%以上（资料来历：Omdia 2024）假如我们进一步阐发，会有一些更有价值的发现。The Information Network的统计数据显示，GaN市场增速高在SiC——2021-2025年时代，GaN的复合年均增加率到达53.2%，跨越碳化硅的42.5%。同时，从Yole 2024 Q1猜测中（图3）也可较着看出，GaN复合增加趋向较着强在SiC市场。GaN功率半导体器件市场5年内到达24亿美元，而在GaN市场份额转变中，汽车与出行市场（Automotive Mobility）“从无到有”，增幅最为抢眼。比拟之下，SiC市场款式将无年夜的变更，汽车市场利用占首要份额。图3：GaN在汽车与出行市场实现 “从无到有”（资料来历：Yole Q1 2024）不难看出，功率器件市场将来几年布局性的重塑，将是一场GaN与SiC的PK。GaN对阵SiC，这场拉锯战若何成长，将取决在手艺线路和赛道的选择可否更精准锁定市场的需求，和手艺的成长是不是可以或许与如许的市场机缘相契合。 GaN的手艺优势尽人皆知，半导体功率器件在功率转换利用中充任开关电源——处在“关断”状况阻断电流，即便在施加的电压很高时也是如斯；处在“导通”状况时，对电流的活动阻力要很是小。是以，功率半导体材料需要具有高击穿电场和高电荷迁徙率。电力电子范畴，GaN和SiC代替硅基电子器件，恰是因为它们在这些方面比硅材料性质更年夜的优势。 GaN 和 SiC 都属在所谓的宽带隙半导体，带隙越宽，原子之间的键越安稳，击穿电压就越高。GaN 的带隙为3.39 eV，硅的带隙只有1.12 eV，SiC带隙则为 3.26 eV。宽禁带半导体可以或许更好地撑持高压利用。材料的电子迁徙率越年夜，不异电场强度下电子的速度越高，每一个电子携带的电流就越年夜。硅的电子迁徙率为 1500 cm2/ V•s， SiC只有800 cm2/ V•s，而GaN的电子迁徙率高达2200 cm2/ V•s摆布，这意味着电子经由过程GaN要比SiC快很多。图4：与硅材料比拟，SiC和GaN的材料特征更具优势，可以或许使功率器件具有高的击穿电压和低的导通电阻（Ron）凭仗如斯高的电子迁徙率，在现实应中，GaN可以取得高电流，与 Si 或 SiC 比拟，开通或关断GaN所需要的电荷更少，也就是说，削减了每一个开关周期所需的能量，有助在提高效力。同时，GaN 的高电子迁徙率答应开关速度到达年夜约 50 V/ns，该特征使得基在 GaN晶体管的功率转换器可以在数百 kHz 的频率下高效运行，而基在硅或 SiC 的功率转换器的频率约为 100 kHz。高效力和高频率使得基在 GaN 器件的功率转换器物理尺寸很是小，且重量轻。高效力意味着可以采取更小的散热装配，而在高频下运行则意味着电感器和电容器也能够很是小，年夜年夜下降整体的系统本钱。 GaN手艺线路的选择固然，假如你选定了GaN手艺，并想在终究的利用中充实阐扬出其手艺优势，选择适合的手艺线路也很主要。具体来说，也就是加强型（E-mode）和耗尽型（D-mode）这两条手艺线路的选择。 GaN晶体管的成功很年夜水平上归功在一个要害的天然现象：2DEG沟道。2DEG是在GaN江南体育和AlGaN薄层界面处自觉构成极为快速的导电通道。其自觉存在的电子浓度是半导体材猜中可到达的最高之一。除此以外，它还可供给两倍在最早进的硅基或碳化硅晶体管的电子迁徙率——高达2000cm2/V∙s。我们可以将二维电子气 (2DEG) 看做GaN材猜中来自豪天然奉送。图5：氮化镓功率晶体管之完美表现— D-Mode AIGaN/GaN高电子迁徙率晶体管（HEMT）得益在GaN材料的赋性，在AlGaN/GaN界面处会自觉构成2DEG沟道，而无需外部施加栅极电压。这意味着器件是常开型的，若想要耗尽沟道电子从而封闭它则需要给栅极加负偏压——这就是耗尽型器件。每个GaN功率器件都源自耗尽型器件。但是，电力电子系统常常需要常闭型器件来实现故障平安操作。依照栅极特征差别，GaN功率器件被分为常开的耗尽型（D-mode）和常关的加强型（E-mode）两种类型。因为常开的D-mode GaN自己没法直接利用，需要经由过程增添外围元器件的体例，将D-mode GaN从常开型变成常关型。级联型D-mode GaN经由过程操纵低压Si MOSFET的开关带动整体的开关，从而将常开型变成常关型，从而以一种纯原生、高机能的情势来操纵氮化镓。在Normally-off D-mode手艺中，氮化镓HEMT的布局不变从而连结它的高机能和靠得住性。在天然状况下，2DEG沟道可不受束厄局促地最年夜化其无与伦比的高迁徙率和电荷密度组合。Transphorm的Normally-off D-mode解决方案是将氮化镓HEMT与低电压常关型硅基MOSFET连系来实现常闭型操作。该解决方案按照功率品级、拓扑布局和系统框架可供给2.5伏至4.0伏的正阈值电压。分歧在级联型 D-mode GaN经由过程级联低压Si MOSFET来实现常关型，E-mode GaN直接对栅极进行p型搀杂来点窜能带布局，选择节制HEMT内部的2DEG，改变栅极的导通阈值，从而实现常关型器件，但氮化镓的部门自然优势就会遭到负面影响。好比，dV/dt较高时解决方案的栅极对过电压破坏和偶发性导通敏感，和电阻温度系数和动态阈值增添约30%，致使每一个开关周期的动态导通电阻增添30%。对低功率适配器，加强型是可以接管的。可是跟着功率程度提高和加强型饱和电流随温度下降，这时候候要求的是并联，终究会下降系统的密度、机能和靠得住性而增添其本钱，更不消说加强型的制造还比力坚苦。图6：较高的薄层电阻是因为为实现关断沟道而致使较低的沟道电子浓度在更高功率的利用中，客户均千方百计下降本钱、下降功耗、并提高器件的持久靠得住性，以取得竞争优势，而E-mode类型GaN遭到根本物理身分的限制，机能降落，靠得住性上也会有所折衷，是以这类类型的GaN器件首要为低功率利用。Transphorm近期发布的手艺白皮书介绍，用DmodeGaN替代一款市售电源设配器中的加强型 GaN，不但实现了更好的效力，并且将机壳温度下降了50%。另外，D-mode GaN常闭平台很是合适各类尺度封装，例如通孔、表贴、多芯片模块等，这些封装自己具有高机能和高靠得住性，增添了氮化镓平台自己的机能和靠得住性。值得一提的是，级联型D-mode GaN是经由过程操纵低压Si MOSFET的开关带动整体的开关，虽然驱动电路和Si MOSFET不异，但因为级联架构的D-mode GaN的开关频率和速度远高在传统的Si MOSFET，所以要求驱动IC可以或许在很高的dv/dt情况下正常工作。捉住市场机缘，“镓”驭全功率今朝，在年夜功率转换范畴，SiC手艺居在领先地位，一个缘由是由于SiC 器件凡是具有比 GaN 器件更小的芯片尺寸。不外，SiC 的衬底、外延和制造本钱高在 GaN，这也为GaN供给了机遇。固然，要使 GaN 可以或许合用在SiC今朝工作的更高电压的年夜功率利用，它必需具有额定电压为 1200V的本钱效益型高机能器件。究竟，在该电压下已有可用的 SiC 晶体管。今朝，Transphorm已推出了额定电压为 900 V的GaN晶体管，并且比来，Transphorm还展现了在蓝宝石衬底上制造的1200V GaN 器件，其电气和热机能均与 SiC 器件半斤八两。将来的趋向极可能有益在 GaN——因为GaN外延和蓝宝石衬底的本钱下降，2025 年第一代 1200V GaN 晶体管的价钱将低在SiC同类产物。并且，在这些高压器件中，GaN较高的内涵电子迁徙特征仍会得以保存，这也就意味着其仍具有开关速度比SiC快的优势仍在，这明显有助在打造更轻、更小的产物和方案。 GaN手艺不竭地优化，和其向高压年夜功率利用的延长，明显会带来更年夜的市场空间。起首，在EV 逆变器利用中，GaN更高的开关速度具有极年夜的优势。这是由于EV逆变器开关采取所谓的“硬开关”手艺，器件从导通到关断，没有利用复杂的方式为开关操作按时（这被称为谐振开关）以尽可能削减消耗。在硬开关式器件中，提高机能的方式就是快速地切换导通和关断状况，以最年夜限度地削减器件，在器件连结高电压和高传导电流的同时，缩短切换时候，下降消耗。这一利用场景，很是有益在阐扬GaN的怪异优势。其次，除逆变器，电动汽车中其他年夜多功率利用也能够从GaN的手艺优势中获益，例如：车载充电器、DC-DC转换器、辅助逆变器和传动系逆变器等等。有研究数据注解，电动汽车利用中采取SiC，比传统硅基器件优化了30%，GaN“上车”，其高频、高效、和双向转换功能等优势，可为汽车利用再带来额外20%的优化，把系统做得更小、更轻、更高效，运行起来的温度更低。太阳能微型逆变器也是GaN高压年夜功率利用的一个方针市场。在散布式电网装配中，为每一个自力的太阳能电池板设置装备摆设一个微型逆变器，然后在为衡宇供电或为电网供电之前再将交换电“组合”起来，已成了将来的手艺趋向。GaN器件带来的小型化和经济性，刚好可以或许知足这一新的设计需求。另外，在数据中间等高机能计较范畴中，GaN也会找到更年夜的舞台。在一个3kVA数据中间UPS设计革新案例中，一家基在GaN的方案胜出，利用该公司GaN器件的80Plus钛金级不中断电源，功率密度增添了250%，尺寸缩小2.5倍，同时还下降了冷却要求，知足该数据中间功率扩大方针，帮忙客户下降了系统运营本钱。应对全球天气变暖，市场对能效的律例要求会不竭提高，在数据中间、人工智能（AI）、高算力利用范畴，GaN有着庞大的阐扬空间。在手机、平板电脑和笔记本电脑充电器和墙插充电器范畴，GaN的高开关速度和其较低的本钱，正在成为低功率市场的主导。GaN功率转换用具有高达300kHz的开关频率和跨越92%的效力，功率密度记可高达30W/in3，是正在被代替的硅基充电器功率密度的两倍。在这些市场中，DmodeGaN的易设计性和稳健的供给链也相当主要。在功率半导体范畴，分歧手艺的竞每日趋剧烈，为方针利用选择一款抱负的器件需要斟酌诸多方面的身分。第一，效力更高、机能更好无疑是重要前提。不管是Si/IGBT、SiC、仍是分歧架构的GaN手艺，都面对这些市场利用带来的挑战——下降本钱，将终端做得更小，让产物更靠得住，设计更轻易，并可以或许跟上市场将来成长需求。第二，下降综合系统本钱，才能取得市场青睐。选择功率半导体，不但需要斟酌若何削减外围电路器件数目，下降系统冷却要求，从而将系统做得更小，效力更高；并且，还要斟酌器件手艺可制造性、供给链不变性、贸易模式的瓶颈等诸多贸易身分带来的隐形市场本钱。第三，产物设计矫捷性也是一个主要身分。在快充市场， D-mode GaN可以或许为设计人员供给便捷的可设计性和可驱动性，利用硅基设计中的节制和驱动电路。值得存眷的是，跟着时候的推移和手艺的成长，GaN机能较高、材料和制造本钱较低、产率较高档特点将逐步被更普遍的市场合认知，在“镓”驭全功率利用方面的优势也更加凸起。