業(yè)界首款1700V氮化鎵開(kāi)關(guān)IC面世，碳化硅面臨被替代？

近幾年，以碳化硅、氮化鎵為代表的第三代半導(dǎo)體因新能源汽車(chē)、儲(chǔ)能等應(yīng)用的興起而備受關(guān)注。尤其是碳化硅，它在禁帶寬度、擊穿電壓、熱導(dǎo)率、電子飽和速率等關(guān)鍵參數(shù)上，都有明顯優(yōu)勢(shì)，所以它在需要高壓、耐高溫、高頻和大功率等應(yīng)用領(lǐng)域備受青睞。眾多半導(dǎo)體大廠也在積極布局碳化硅器件領(lǐng)域。

而氮化鎵雖然擁有與碳化硅相似的優(yōu)點(diǎn)，但相較于碳化硅，近幾年的發(fā)展似乎有些不溫不火。在高壓領(lǐng)域，有碳化硅器件，在低壓領(lǐng)域，又有硅器件。近期Power Integration（PI）推出的首款1700V氮化鎵開(kāi)關(guān)IC打破了這一局面，讓氮化鎵器件開(kāi)始與碳化硅器件進(jìn)行正面較量。

據(jù)PI資深技術(shù)培訓(xùn)經(jīng)理Jason Yan介紹，PI近期推出的這款1700V氮化鎵開(kāi)關(guān)IC是其InnoMux?-2系列單級(jí)、獨(dú)立調(diào)整多路輸出離線式電源IC的新成員。該氮化鎵開(kāi)關(guān)IC采用了PI專(zhuān)有的PowiGaN?技術(shù)制造，并具有極高的多路輸出效率，可在反激設(shè)計(jì)中輕松支持1000VDC額定輸入電壓，并在需要一個(gè)、兩個(gè)或三個(gè)供電電壓的應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)90%以上的效率。每路輸出的調(diào)整精度都控制在1%以?xún)?nèi)，也無(wú)需后級(jí)穩(wěn)壓器，并將系統(tǒng)效率進(jìn)一步提高了約10%。

相較于750V的PowiGaN器件，新發(fā)布的1700V器件也具有相同的效率。與現(xiàn)有的采用StackFETTM（DER-859樣板）的高壓解決方案相比，1700V InnoMux2-EP的效率獲得大幅提高，開(kāi)關(guān)損耗也極小，所需的元件數(shù)目也大大減少。

那為何PI能夠?qū)⒌壍哪蛪褐堤岣咧?700V呢？這與PI采用的獨(dú)特的功率開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)相關(guān)。氮化鎵功率器件的外延結(jié)構(gòu)可分為D-mode（Depletion-mode/耗盡型）和E-mode（Enhance-mode/增強(qiáng)型）兩種。其中，耗盡型GaN是常開(kāi)的，反之增強(qiáng)型GaN則是常關(guān)的。

市場(chǎng)上大多數(shù)廠商都采用增強(qiáng)型結(jié)構(gòu)，而PI采用的則是耗盡型結(jié)構(gòu)，然后采用級(jí)聯(lián)方式的“共源共柵”架構(gòu)，在常開(kāi)的耗盡型氮化鎵器件下，串聯(lián)一個(gè)小的MOS管。而MOSFET已經(jīng)存在很多年，其驅(qū)動(dòng)技術(shù)和保護(hù)技術(shù)都已經(jīng)非常完善，所以PI利用現(xiàn)有的這種技術(shù)來(lái)控制耗盡型氮化鎵，可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)非?？煽亢桶踩倪\(yùn)作。同時(shí)，也更加容易實(shí)現(xiàn)更高電壓。

PI公司營(yíng)銷(xiāo)副總裁Doug Bailey此前在一個(gè)行業(yè)會(huì)議上就表示，PI推出的1700V氮化鎵開(kāi)關(guān)IC是業(yè)界首個(gè)超過(guò)1250V的氮化鎵器件。一方面，這一器件讓PI所能提供的功率變換開(kāi)關(guān)選項(xiàng)變得越來(lái)越豐富，涵蓋了從650V到1700V的電壓范圍，以及從硅，到氮化鎵，再到碳化硅的不同材料的器件。另一方面，該款器件的發(fā)布也表明，氮化鎵技術(shù)正在迅速發(fā)展，逐漸逼近甚至超越碳化硅的性能。Doug Bailey也表示，“我們的目標(biāo)就是要取代碳化硅，這是我們公司的使命?！?/p>

其實(shí)，PI之前就已經(jīng)推出了1700V的碳化硅器件，那為何還要推出相同電壓值的氮化鎵器件呢？Jason Yan表示：“主要是出于成本的考慮。眾所周知，碳化硅器件的制造是一個(gè)高能耗、高成本的過(guò)程，還需要獨(dú)立建造生產(chǎn)線；而氮化鎵器件則基于現(xiàn)有的硅生產(chǎn)線就可以進(jìn)行制造，這樣可以顯著節(jié)省成本。我們致力于用氮化鎵開(kāi)關(guān)器件來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的高能耗、價(jià)格昂貴的碳化硅器件?！?/p>

他以汽車(chē)市場(chǎng)為例，目前，許多汽車(chē)用戶(hù)正面臨著成本方面的壓力，他們也想要需求碳化硅的可替代方案，而PI的氮化鎵器件就是很好的選擇。

隨著PI將氮化鎵的額定耐壓值提高至1700V，氮化鎵器件的應(yīng)用范圍將進(jìn)一步擴(kuò)大。目前，氮化鎵器件主要應(yīng)用于功率水平在100W左右的領(lǐng)域，在1KW以上，則是碳化硅的優(yōu)勢(shì)應(yīng)用領(lǐng)域。但目前，氮化鎵在慢慢蠶食碳化硅的應(yīng)用市場(chǎng)。Jason Yan認(rèn)為，在1KW功率水平，氮化鎵將戰(zhàn)勝碳化硅成為主要的電源開(kāi)關(guān)技術(shù)；在10KW功率水平，氮化鎵也已經(jīng)應(yīng)用于新的設(shè)計(jì)中；在100KW，氮化鎵也即將得以應(yīng)用。未來(lái)，氮化鎵開(kāi)關(guān)將在10W-1MW功率水平之間，占據(jù)主導(dǎo)地位。

Jason Yan同時(shí)也表示：“對(duì)于氮化鎵器件，1700V不是頂點(diǎn)，PI未來(lái)肯定還會(huì)有更高的耐壓產(chǎn)品面世。除了耐壓增高以外，我們也會(huì)將電流能力進(jìn)一步擴(kuò)展，因?yàn)槲覀兛春玫壖夹g(shù)的發(fā)展?！?/p>

據(jù)Yole Group的數(shù)據(jù)顯示，到2029年底，功率氮化鎵器件市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到20億美元，并將擴(kuò)展到各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域，與碳化硅器件相比，其成本優(yōu)勢(shì)更具吸引力。Jason Yan也表示：“碳化硅技術(shù)已經(jīng)非常成熟，但其成本仍然沒(méi)有下降，說(shuō)明它已經(jīng)面臨瓶頸，而氮化鎵技術(shù)還是一個(gè)新興技術(shù)，相信未來(lái)會(huì)有非常廣闊的應(yīng)用前景，成為一個(gè)主流的功率器件材料?！?/p>