硅基氮化镓(GaN)技术这几年来有了很大的发展，产品种类越来越丰富，参与的公司也越来越多。
硅基氮化镓(GaN)技术这几年来有了很大的发展，产品种类越来越丰富，参与的公司也越来越多。除了再硅基氮化镓领域耕耘多年的MACOM，还有EPC(宜普电源转换公司)、GaN System、Transphorm、Navitas等初创公司，以及英飞凌、安森美、意法半导体、松下和TI等行业巨头也参与了竞争。
今年11月28日，英飞凌宣布其硅基氮化镓产品开始量产。在其新闻发布会上，英飞凌发布了采用氮化镓材料的CoolGaN增强型HEMT和氮化镓开关管专用驱动芯片(GaN EiceDRIVER IC)，这是英飞凌的首款氮化镓产品。英飞凌科技奥地利股份有限公司电源管理与多元化事业部资深市场营销经理邓巍介绍了则介绍了这两个技术和产品的技术细节。
图1：英飞凌科技奥地利股份有限公司电源管理与多元化事业部资深市场营销经理邓巍在介绍英飞凌CoolGaN的技术细节。
未来十年氮化镓市场规模有望突破10亿美元
虽然目前市面上的应用主要以硅基器件为主，但在一些高功率、高电压应用中，硅基器件有些捉襟见肘，而氮化镓和碳化硅却能很好地满足这些应用场景。这主要是因为，他们属于宽禁带半导体材料，与硅等传统的半导体材料相比，具有更宽的带隙。其中硅的带隙是1.1电子伏特，氮化镓是3.4电子伏特。
图2：硅、氮化镓和碳化硅三种技术的不同应用场景。
在邓巍看来，未来很长一段时间内，硅基器件、氮化镓和碳化硅这三种技术会共存，而且硅基器件还将会是主流，但在一些高性能、高端产品中硅基器件性能不能满足要求的一些场合，氮化镓和碳化硅会是一种补充。目前氮化镓主要应用在100V~600V的应用场景中，碳化硅则比较适合600V~3.3kV的应用场合。
邓巍认为，氮化镓产品目前处于技术成熟度曲线的第二个攀升阶段，也就是说它的热潮时间段已经过去，走出了泡沫化的低谷期，进入了稳步爬升的光明期，“现在正是氮化镓产品和技术发展的良机。”
图3：GaN技术成熟度曲线。
他乐观地估计，未来十年，基于氮化镓的器件市场总值有望超过10亿美元。市场分布方面，他认为电源类产品将会占到整个市场的40%；汽车类应用起步比较晚，但成长非常快。邓巍也提到了英飞凌的氮化镓产品的目标市场是，服务器、电信、无线充电、音频和适配器等市场。
“当然，氮化镓不仅限于这些应用，我们希望更多的领域来尝试我们的氮化镓产品，比如说太阳能、照明、消费电子和电视等等。”他补充说。
CoolGaN有何特别之处？
目前市面上关于氮化镓的解决方案，有三种不同的趋势：
1.分立式+外部驱动器；
2.多片集成，开关和驱动虽然是不同的衬底，但是封装在同一个壳子里；
3.单片集成，氮化镓的开关、驱动、其他器件作为同衬底的一个解决方案。
不同的公司有着不同的氮化镓解决方案，但就成熟度来说，“分离器器件是目前最成熟的一种解决方案。”邓巍表示，“但渐渐地，氮化镓可以在多片集成和单片集成中也体现出优势。”而英飞凌希望在这三个方面都有所成就。
谈到英飞凌刚刚量产的600V CoolGaN技术，邓巍自豪地表示，“CoolGaN是英飞凌‘氮化镓（GaN）增强模式高电子迁移率晶体管（E-HEMT）’产品系列，采用了与松下合作开发的常闭式概念解决方案，可以是器件获得更长的使用寿命。”
图4：英飞凌的常闭型氮化镓产品原理。
邓巍解释说，在P型氮化镓电阻栅中，栅极电压超出正向电压时，空穴注入，如果不在栅极做任何动作的话，在中间层就会有电子流动，“也就是说，它是一个常开型器件。”
而目前大家经常使用的硅基器件都是常闭型器件，大家已经熟悉了常闭型的理念。“因此，我们在技术细节和工艺上做了一些改动，在栅极加了P-GaN，使常开型的氮化镓器件变成了工程师比较容易理解的常闭型氮化镓器件。”邓巍这样解释。
“其实氮化镓有一个业界比较棘手的问题，叫做动态RDS(ON)，不过因为我们在漏极引入了P-GaN，它可以中和陷在漏极的电子，这样就可以从技术上解决动态RDS(ON)在开关的时候有很多电子被陷在漏极不流通的问题。”他详细介绍说。
对于CoolGaN的封装形式问题，邓巍强调，“氮化镓在高频情况下能够无损地开关，我们不想因为封装原因而把它的优势抹杀掉，所以我们引入了SMD贴片式封装，英飞凌可以根据不同的客户、不同的需求提供不同的产品给他们，有的客户要求散热性能更好，有的客户要求体积更小，我们分别提供不同封装的产品。”
氮化镓器件让电源设计更简单
虽然英飞凌的高压氮化镓增强模式HEMT可以由其他厂商提供的驱动芯片来驱动，但邓巍还是建议使用英飞凌的官方配套驱动芯片，“因为氮化镓开关管驱动芯片EiceDRIVER IC——1EDF5673K、1EDF5673F和1EDS5663H是CoolGaN增强型HEMT最好的搭档，它们可以确保CoolGaN开关实现强健且高效的运行，同时最大限度地减少工程师研发工作量，加快将产品推向市场。”
图5：英飞凌专用氮化镓驱动芯片等效电路图及工作过程。
邓巍解释说，不同于传统功率MOSFET的栅极驱动IC，这个针对英飞凌CoolGaN量身定制的栅极驱动IC可提供负输出电压，以快速关断氮化镓开关。在开关应处于关闭状态的整个持续时间内，GaN EiceDRIVER IC可以使栅极电压稳定保持为零。这可保护氮化镓开关不受噪音导致误接通的影响，哪怕是首脉冲，这对于SMPS实现强健运行至关重要。氮化镓栅极驱动IC可实现恒定的GaN HEMT开关转换速率，几乎不受工作循环或开关速度影响。这可确保运行稳健性和很高能效，大大缩短研发周期。它集成了电隔离，可在硬开关和软开关应用中实现强健运行。它还可在SMPS一次侧和二次侧之间提供保护，并可根据需要在功率级与逻辑级之间提供保护。
邓巍拿1EDF5673 氮化镓驱动器评估板在1 MHz 的情况下开关CoolGaN举例说明了CoolGaN和驱动器配合使用的情况。
图6：1EDF5673 氮化镓驱动器评估板在1 MHz 的情况下开关CoolGaN。
在这个评估版中，使用的是一个半桥结构，由高端和低端。当高端打开时，低端是关断的；当低端关断时，负电压负责关断它，然后打开高端。也就是说，在打开另一侧时，这一侧的驱动必须是负电压状态。“原因是氮化镓是一个常开型产品，英飞凌做成了常闭型产品，但是常闭型产品的栅极电压比较低，大概是1~1.5V左右，它很容易误打开。如果一端打开了，另一端被误打开了，那整个器件就导通了，那它就失效了。”邓巍详细地解说。
谈到氮化镓产品的优势，邓巍指出，氮化镓产品能够在半桥拓扑中实现硬开关，优势是灵活、高效、系统成本比较低。“我们用自己的氮化镓产品做了一个PFC板，能够在10%~100%的负载情况下，达到稳定率高于99%的效率，峰值达到了99.3%。”
图7：氮化镓产品的优势。
也就是说使用氮化镓产品的拓扑结构设计更简单、效率更高、体积更小，以及系统成本会更低。
对此，Bel Power Solutions研发部电子设计助理经理陈伟深有体会，他们已经成功设计了一款基于英飞凌氮化镓产品的6kW ACDC电源，并用在了Face book的数据中心上。
据陈伟介绍，通过应用氮化镓器件，让他们的整个电源设计达到了更高的效率，而且在体积方面也做到了最优。
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