近年來，隨著新能源汽車、光伏產業等的發展，電力電子形成了前所未有的發展態勢。以碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）為代表的新型寬禁帶（WBG）半導體技術取得了重大進展，在提高功率轉換效率方面扮演著越來越重要的角色。
IHS數據預計，GaN功率器件市場復合增速高達30%，到2027年將超過10億美元。通信、汽車、工業市場是GaN功率器件的主要驅動力。
GaN的主要增長點在于移動快充、無線基礎設施電源、PFC（功率因數校正）、無線通信、高頻激光雷達和無線充電領域。未來五年，GaN的應用場景將擴大到5G基站、新能源汽車、特高壓、數據中心等。
今天，來看看那些致力于GaN研究和應用的半導體行業大咖發表的一些真知灼見。
新拓撲徹底改變了快速充電
Navitas Semiconductor市場營銷和投資者關系副總裁Stephen Oliver認為，GaN的出現滿足了移動通信需求，實現了新的拓撲結構，徹底改變了快速充電格局。
他說，智能手機的屏幕尺寸和電池容量在10年內增加了3倍多。為獲得更快的充電速度，OEM已經開始采用GaN充電器作為附件和“機箱內”選項。
Navitas Semiconductor市場營銷和投資者關系副總裁Stephen Oliver認為，GaN的出現滿足了移動通信需求，實現了新的拓撲結構，徹底改變了快速充電格局。
他說，智能手機的屏幕尺寸和電池容量在10年內增加了3倍多。為獲得更快的充電速度，OEM已經開始采用GaN充電器作為附件和“機箱內”選項。
智能手機屏幕、電池和5G功能的增加以及數據處理和傳輸速率和容量的增強，使人們開始關注充電速度及旅行適配器的尺寸、重量和成本。同時，引入單一、靈活的充電平臺（硬件和軟件），即帶電源傳輸（USB-PD）的通用串行總線“C型”連接器（USB-C）或可編程電源（PPS），意味著消費者不再依賴于一個OEM的電源產品?，F在，用戶可以選擇一個充電器，為其16英寸MacBook Pro充電，還可以為手機或耳塞安全快速地供電。
1996年以來，學術界就提出了有源箝位反激（ACF）等高速拓撲，但由于硅的不良導通狀態和開關柵極電荷、性能加上復雜性和缺乏優化控制IC而受挫。2018年初，GaN功率IC的推出結束了這種局面，不僅使ACF具備了商業可行性，而且實現了智能手機充電器的高頻準諧振反激式充電，使用于游戲筆記本電腦、一體式PC、電視和5G發射單元電源等的更高功率系統的CrCM boost PFC、高速LLC和行進CrCM圖騰柱PFC等拓撲結構具備了商業可行性。
在一個貼片封裝中，GaN IC集成了GaN功率場效應管（FET）和GaN驅動加控制和保護。這些GaNFast功率IC成為易于使用、高速、高性能的“數字輸入、電源輸出”構建塊。集成使其關斷時幾乎沒有損耗，因為柵極驅動回路基本上沒有阻抗。此外，還可以根據特定應用要求控制和定制開啟性能。
其結果是，GaN功率IC在同等體積和重量上比老式硅設計快了3倍，并已被戴爾、聯想和小米等一級OEM用于智能手機和筆記本電腦的快速充電。
尺寸方面，傳統拓撲有線繞變壓器（通常超過20毫米）加大型電解電容器， 50W迷你充電器采用400kHz頻率，8毫米平面變壓器，沒有電解電容器，尺寸還不到舊的硅版本的一半。
GaN重新定義功率轉換
Efficient Power Conversion的CEO Alex Lidow博士回顧道，GaN功率器件已經生產了十多年。除了性能的提高，GaN技術影響功率轉換市場最重要的機會來自于同一襯底上集成多個器件的能力。這種能力將使單片電源系統以更直接、更高效、更經濟的方式設計在單個芯片上。
他說，在12V輸入、12V輸出降壓轉換器中，GaN分立器件和GaN單片半橋的性能有很大不同。
GaN基IC經歷了不同的集成階段，從純分立器件到單片半橋器件，再到包含其自身單片集成驅動器的功率場效應管，最近又發展到包含功率場效應管、驅動器、電平轉換電路、邏輯和保護的全單片功率級。
第一階段是整體半橋，大約六年前開始研發。第一個IC器件將高側和低側晶體管放在一個襯底上。集成的優點包括減小尺寸和成本，由于兩個晶體管的緊密耦合，寄生共源電感也減小了。此外，提高開關速度的優點使得開關功率轉換系統更快、更有效，同時減小的功率回路電感降低了開關節點處的電壓過沖和EMI。
出于多種原因，集成解決方案的效率高得多。第一個原因，功率回路電感已從約400pH降到約200pH。第二個原因，在非對稱降壓轉換器中，高壓側器件或控制器往往比低壓側器件更熱。當這兩個器件放在同一個芯片上時，其熱平衡可以達到較低的峰值溫度，總體效率較高。
第二階段是eGaN FET加驅動器。在GaN中，柵極和漏極之間的距離很大程度上決定器件能夠承受的電壓?？s小這個距離可以制造出更小的器件，這也使非常簡單的低壓邏輯和模擬器件能夠與高功率高壓器件放在同一個芯片上。
第三階段是ePower級。2019年初，驅動功能和單片半橋與電平移位器、同步升壓電路、保護和輸入邏輯都集成到硅襯底的單個GaN上。這一完整的ePower級可以在數兆赫頻率驅動和控制一個簡單的低側CMOS IC，只需增加幾個無源元件即可成為一個完整的DC-DC穩壓器。與分立式方法相比，體積小35%，組件數少了一半。集成功率級設計時間更短，因為只是邏輯輸入和電源輸出。
GaN的未來是擴展單片半橋，添加更多功能和特性。未來三到四年內，很可能功率轉換中的分立晶體管將慢慢過時，集成解決方案將成為設計師構建電力電子系統的理想組件。
為5G提供高效電力
Avnet Abacus高級營銷總監Hagen Goetze指出，每個5G基礎設施的射頻放大器和數據處理都需要一系列功率轉換級，以保證可靠性和性能方面的要求。
人們都在期待5G移動通信承諾的好處——理論上比50Gps更快的下載速度，比4G低50倍的延遲，開放家庭和工廠自動化物聯網，當然還有自動駕駛車輛的控制。
他指出，傳統大功率基站可能會留下沒有信號的“黑點”，而且，由于5G中使用的頻率較高，目前約為4GHz，由于有效范圍較短，問題可能更嚴重。隨著頻譜的開放，毫米波段的頻率將更高，而實現更好覆蓋的唯一可行解決方案是建立覆蓋更小區域的低功率“微型”電池網絡，如安裝在電線桿上或辦公室和公共建筑的室內。
所有這一切都意味著部署設備的巨大擴張和所需電力的增加；預計5G需要的功率是典型4G基站的兩倍以上。隨著網絡規模擴大，運營商的能源消耗也將大幅增加，并帶來相應的財務成本和全球環境影響。因此，巨大的壓力來自于基站盡可能節能的要求。此外，更高的效率將實現更小更輕的設備，更容易安裝和維護，理想情況下一個人即可完成。
有效地為射頻放大器供電是另一個要求?；旧漕l輸出功率變化很大，從毫瓦級的“毫微”單元到通常高達10W的“小”單元，再到高于100W的最大的5G MIMO（多輸入多輸出）陣列。GHz頻率的RF功率放大器（PA）本身不是很有效率，通常為50-60%，因此PA本身可能消耗250W左右功率。這個是一個放大器，根據華為的說法，在一個典型5G基站站點中，總功耗可能超過11.5kW，包括傳統2/3/4G無線電和所有數據處理和控制電路。
針對功率放大器的功率要求，電壓軌需要低噪聲和嚴格控制，盡管下游的“包絡跟蹤”可用于提高放大器效率。LDMOS（橫向擴散金屬氧化物半導體功率晶體管）的工作頻率高達4GHz左右，功率等級為kW，通常需要26-32V的電源，對于更高頻率，GaN器件將以50-60V的電源軌為主，功率能力高達數百瓦，效率高于LDMOS。
采用GaN器件的典型電信輸入范圍DC-DC轉換器通常用基板冷卻“磚塊”格式，射頻功率放大器位于密封盒中的天線頭處，僅通過外殼傳導空氣冷卻。在可能的安裝范圍內，電子設備可能需要在零度以下的溫度下啟動，并在陽光充足的情況下以滿功率運行。為了應對這些極端情況，射頻功率放大器及其電源和控制電路可能需要額定在85℃。幸運的是，基板冷卻的DC-DC轉換器的額定溫度至少是這個溫度，這樣的設備可以實現高于95%的效率，對內部溫升的貢獻很小。
打造高性能雷達系統
KEMET技術產品營銷經理Joao Pedroso表示，工程師們了解相控陣雷達概念已有一段時間了，基于GaN技術可以設計出性能更好現代雷達。
毫不奇怪，雷達系統是AESA（有源電子掃描陣）技術的主要應用之一。由于不需要實際移動天線，因此不需要（或至少更少）移動部件。更少的潛在故障點支持了其在軍事、汽車當中的應用，避免惡劣環境對敏感的電機造成嚴重影響。此外，由于天線是基于一個陣列，可以很容易地使用超過1000個發射機，如果一個發射機發生故障，天線可以繼續工作，幾乎沒有任何性能惡化。對于只有一個發射機的傳統天線來說，情況并非如此。天線發射的性質也使得使用反監視設備檢測陣列更加困難。出于同樣的原因，它不太容易受到干擾技術的影響。
然而，如此龐大的發射機陣列，每個發射機都需要自己的支持電子子系統，包括放大器和電源，這確實帶來了設計挑戰?？臻g很容易成為問題，這也是AESA系統現在采用GaN功率晶體管的原因之一。GaN技術帶來的效率水平支持AESA系統中使用的頻率和功率輸出水平。
GaN功率晶體管能夠在更高的功率水平和更高頻率下工作，比硅基功率MOSFET效率更高。因此，在這些特性至關重要的廣泛應用中，正在使用GaN功率晶體管，包括AESA、電動汽車逆變器和車載充電器及太陽能逆變器。
GaN襯底特性非常適合高功率應用。與硅相比，GaN具有更高的擊穿電壓和更高的電子遷移率，意味著其比硅襯底具有更好的導熱性，其熱導率比硅高15%左右。此外，其晶格結構的低熱膨脹意味著基于GaN的功率晶體管具有更好的熱效率，比硅運行更涼爽，工作溫度更高。這最終將導致更高的功率密度，支持其在陣列中的使用。在遠程監控應用中，每個晶體管的輸出功率很容易達到200W，因此高效率、高功率密度和良好的導熱性是優先要求。
GaN對系統設計也有影響，使用GaN功率晶體管對所有組件提出了更高的要求，尤其是無源組件。所涉及的高電壓電平和頻率將影響所用電容器的結構。KEMET在制造聚合物電容器材料方面取得了重大進展。此前，基于五氧化二鉭（Ta2O5）的電介質電容器僅限于低電壓應用，現在，KEMET可以用聚合物鉭電容器的性能很好地匹配GaN晶體管。工程師們關注的特性，如保持盡可能低ESR（等效串聯電阻）得以實現，使器件中的散熱最小化。另一個重要的優點是與GaN晶體管的開關頻率相稱的600kHz范圍內開關頻率下工作的能力。
隨著諸如GaN等WBG技術的持續商業化，其使用量將會增加，需要更適合這些高性能器件的無源器件來匹配。
電機驅動應用效果顯著
英飛凌科技氮化鎵應用業務部門資深首席工程師Eric Persson認為，在集成線性化電容器的電機驅動集成功率模塊（IPM）中使用GaN芯片可以實現比硅技術顯著降低的功率損耗。
他表示，電機已經使用了一個多世紀，隨著工業、辦公和家庭自動化的不斷發展，電機及其驅動裝置越來越多地用于從機械臂控制到普通家用洗衣機的各種場合。今天，電機必須是“智能”的，以便在運動控制方面實現更大的靈活性、更好的功能和節能。然而，也存在一些限制因素——工業產品必須小、輕、節能，而商業產品也必須成本非常低。
增強的控制是通過電子電機驅動器或電壓源逆變器來實現的，后者通常以可變頻率和幅度產生三相AC，以控制電機的速度、轉矩和方向。在驅動器中使用了開關模式技術，通常在16kHz左右工作，通過脈寬調制實現輸出控制。
幾十年來，硅MOSFET等器件已經能夠實現較高數量級的開關，但在電機驅動中，高頻（更小磁性元件）的優勢并不明顯；磁性元件是電機本身，其尺寸獨立于應用。因此，保持較低的頻率對于最小化開關損耗是明智的選擇。高頻器件（如MOSFET）的快速電壓躍遷實際上帶來了自身的問題；高dV/dt會導致電機繞組絕緣應力，產生電壓超調或振鈴，有擊穿和局部放電退化的風險。此外，電磁干擾增加，需要額外的濾波器，共模電磁干擾電流可以通過電機軸承到達地，從而在軸承座圈中產生溝槽機械磨損。
由于高頻開關似乎缺乏優勢，IGBT仍被廣泛使用，但為了提高效率，硅MOSFET也很受歡迎，通過減慢柵極驅動、引入緩沖器以及在三相驅動輸出中加入外部串聯和共模濾波器來降低開關邊緣速率，所有這些都在一定程度上影響了效率。在低功率和中等功率下，MOSFET可以產生比IGBT更低的導通損耗和更好的開關損耗。這兩種器件都以智能功率模塊（IPM）形式提供，集成了典型的六個所需開關，以及柵極驅動器和保護功能。
用GaN實現寬禁帶開關的方法具有更大的優勢。采用硅MOSFET的IPM雖然效率較高，但仍存在進一步改進的壓力；更高的效率不僅可以節省能源和資金，還可以生產出更小、更輕的產品，散熱成本更低。如果一項改進可以消除對不可靠風扇的需求，或者允許在機器人手臂不在遠程機柜中的電機旁邊放置一個較小的驅動器，那么好處是顯而易見的?，F在更有效的器件是GaN高電子遷移率晶體管（HEMT）。這種寬禁帶技術比其他類似的硅MOSFET具有更低的傳導損耗，是實現上述優勢的關鍵，遠遠超過了其單位成本溢價。
GaN開關（如CoolGaN）速度非?？?，能夠實現kV/μs的邊緣速率。這是小型AC-DC和DC-DC轉換器在1MHz及更高頻率下運行的一個重要特性。英飛凌的工程師意識到，在GaN芯片中的漏極到柵極使用一個非常小的電容器，對整體電容有顯著的線性化效果。選擇的值很小，約為1.2pF，實現了現有總柵極電荷值的兩倍。邊緣速率精確地限制在kV/μs左右，在較輕負載下，dV/dt自然下降到較低的值。
這項技術的進展使英飛凌能夠設計出比同一應用中硅MOSFET效率更高的IPM，同時將邊緣速率控制在可接受范圍內。比較顯示，在電機驅動應用中，相同溫升的損耗幾乎減半，利用了IPM中GaN器件更好的導通電阻。結果實現了不使用散熱器的設計，或使用散熱器驅動較大電機的能力。在這兩種情況下都節省了成本。
總之，采用集成線性化電容器的GaN芯片可以實現電機驅動IPM比硅技術顯著降低的功率損耗，避免影響可靠性和EMI合規性的高邊速率問題，已經證明能夠抵抗電機驅動應用中經常出現的應力和短路。
GaN器件不再是稀罕之物
GaN的價值已經在各種與功率相關的應用中體現出來，顯示出潛在的提升系統效率，降低系統成本、散熱、體積的潛力，超過了技術本身的小幅溢價。
未來是非常光明的，GaN技術和新產品將有巨大的增長潛力。但這永遠不會在一個季度內發生。用已故偉大的“思想巨匠”史蒂芬·科維的話來說，“農場法則”很可能永遠伴隨著我們：要有所收獲，必須先買一塊土地，購買種子并播種，之后持之以恒地耕種、施肥、澆水、灌溉，到秋季的時候才能有所收獲。
