PI近日宣布推出1700V氮化鎵(GaN)開關(guān)IC，這一技術(shù)突破有哪些亮點(diǎn)?它將如何影響高壓氮化鎵市場?

近日，Power Integrations(以下簡稱PI)宣布推出InnoMux?-2系列單級、獨(dú)立調(diào)整多路輸出離線式電源IC的新成員。該芯片采用PI專有的PowiGaN?技術(shù)制造而成，支持更高母線電壓的使用，是業(yè)界首款1700V氮化鎵開關(guān)IC，更是首個超過1250V的氮化鎵器件。

對于當(dāng)前的高壓市場而言，碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)作為先進(jìn)的第三代半導(dǎo)體材料，各自都具有獨(dú)特的性能優(yōu)勢，并在不同領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。特別是功率氮化鎵(Power GaN)技術(shù)作為后起之勢， Baliga性能指數(shù)(與硅相比)高達(dá)900，遠(yuǎn)高于碳化硅的500，并且其禁帶寬度可以達(dá)到3.4eV，高于碳化硅的3.3eV，這使得氮化鎵的器件在高頻、高效、大功率方面更具優(yōu)勢，逐漸在氮化鎵高壓領(lǐng)域嶄露頭角。

硅基IGBT曾長期統(tǒng)治高壓高電流場景，但隨著碳化硅的出現(xiàn)，其耐高壓、耐高頻以及低能耗的特性使其在高壓市場實(shí)現(xiàn)了逐步替代。在1700V的高壓市場中，碳化硅的名字并不陌生。那1700V碳化硅IC已經(jīng)存在，如此大費(fèi)周折地開拓高耐壓氮化鎵開關(guān)IC的目的何在?

半導(dǎo)體器件應(yīng)用網(wǎng)的記者在PI的1700V氮化鎵開關(guān)IC新品媒體溝通會現(xiàn)場對話PI市場營銷副總裁Doug Bailey以及PI資深技術(shù)培訓(xùn)經(jīng)理Jason Yan，探討1700V氮化鎵開關(guān)IC的重要意義。

01|1700V的突破在哪里?

PI推出的1700V額定耐壓氮化鎵InnoMux?-2IC可以在反激設(shè)計1000V DC輸入情況下實(shí)現(xiàn)高于90%的功率變換效率，進(jìn)一步提升了氮化鎵功率器件的先進(jìn)水平。

為什么突破高壓氮化鎵市場?

目前在氮化鎵開關(guān)IC市場的應(yīng)用中，面對不同的功率的應(yīng)用，所采用的主流的開關(guān)技術(shù)也會不同。小于10W的小功率的開關(guān)應(yīng)用仍然使用硅，因?yàn)樾詢r比比較高，生產(chǎn)起來也比較容易。而如果有更小體積、更高功率密度的設(shè)計目標(biāo)，則氮化鎵技術(shù)具有無可比擬的優(yōu)勢，因其可以工作于更高頻率，且也更加高效。

100W到1KW的之間的范圍，在傳統(tǒng)的高功率應(yīng)用當(dāng)中目前使用最多的還是用到碳化硅和IGBT。隨著未來市場的發(fā)展，處于中間位置的SiC市場會慢慢縮小，中間縮小的區(qū)間會有相當(dāng)大的一部分會被氮化鎵所替代。PI致力于開發(fā)1700V的氮化鎵開關(guān)IC正是基于對氮化鎵技術(shù)的深刻理解及對高壓功率氮化鎵器件市場的預(yù)測。

碳化硅開關(guān)IC一直是一個高能耗產(chǎn)業(yè)，碳化硅的外延生長過程耗時較長，而且其獨(dú)特產(chǎn)線的投入要求，使其總體成本相對較高。特別是在產(chǎn)品制造的過程中隨著電壓的升高，產(chǎn)品的缺陷就更容易暴露出來。因此，缺陷的減少意味著可以有更高電壓適應(yīng)環(huán)境。

PI市場營銷副總裁Doug Bailey出席新品媒體溝通會

針對“為什么突破氮化鎵高壓市場?”的問題，PI市場營銷副總裁Doug Bailey給出了PI的答案：氮化鎵開關(guān)出現(xiàn)在1700V氮化鎵高壓領(lǐng)域的最大意義就在于可以顯著節(jié)省產(chǎn)品成本。PI在氮化鎵技術(shù)上具有更好的外延生長技術(shù)，這就意味著氮化鎵開關(guān)IC的產(chǎn)品外延缺陷會更少，而采用傳統(tǒng)的硅技術(shù)生產(chǎn)線即可生產(chǎn)氮化鎵的特點(diǎn)，也使得在規(guī)劃氮化鎵生產(chǎn)制造以及降低成本上有了更多的自由。

產(chǎn)品新在何處?

PI技術(shù)副總裁Radu Barsan表示，新型InnoMux?-2 IC整合了1700V氮化鎵技術(shù)和其他三項(xiàng)最新創(chuàng)新技術(shù)：獨(dú)立、精確的多路輸出調(diào)整;FluxLink?，也就是PI獨(dú)創(chuàng)的次級側(cè)控制(SSR)數(shù)字隔離通信技術(shù)以及無需有源鉗位即可實(shí)現(xiàn)的零電壓開關(guān)(ZVS)技術(shù)。

1. 獨(dú)立、精確的多路輸出調(diào)整：

a. InnoMux-2單級架構(gòu)能大幅提高多路輸出效率，消除了多路輸出應(yīng)用中常見的后級DC-DC變換，進(jìn)而降低了損耗;

b. 同時由于采用單級變換，從而可以大幅減少多達(dá)50%的元件數(shù)量，也便于優(yōu)化整體電源的EMI特性;

c. 在高達(dá)1000VDC母線下可精確控制2組或3組CV輸出(15-70W輸出功率)，在不同輸入電壓及負(fù)載條件下均能滿足±1%的調(diào)整精度;

d. 次級側(cè)實(shí)現(xiàn)的零電壓開關(guān)操作使得只需一個主功率開關(guān)的條件下，在高母線電壓應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)了90%的效率，將損耗和熱量減少44%，進(jìn)而顯著降低了IC的溫升，優(yōu)化了系統(tǒng)的性能;

e. 高精度輸出的特性，使得無需在輔助輸出端使用假負(fù)載，大大優(yōu)化了空載輸入功率，甚至于空載功耗會低于50mW，而待機(jī)功率相對于舊有方案也增加了20%;

f. 1700V耐壓情況下，新型的F封裝提高了高壓引腳與低壓引腳間的爬電距離，保證了整體方案在高母線電壓、惡劣工作環(huán)境下電源的可靠性。

2. 次級側(cè)控制(SSR)數(shù)字隔離通信技術(shù)

FluxLink次級側(cè)控制數(shù)字隔離通信技術(shù)，無需光耦器，能有效提升芯片動態(tài)響應(yīng)速度并降低電源輸出電容的容量。

3. 無需有源鉗位的零電壓開關(guān)(ZVS)技術(shù)

a. 通過次級實(shí)現(xiàn)的零電壓開關(guān)操作，大大降低了高母線電壓下主功率開關(guān)管的開通損耗，提升效率的同時也降低了器件溫升;

b. 器件的低溫升帶來的好處是可以利用PCB板進(jìn)行散熱——無需散熱片，這對于縮小電源體積、提升功率密度有現(xiàn)實(shí)的意義。

E-Mode還是D-Mode?

目前市場上的GaN有E-Mode(增強(qiáng)型)或D-Mode(常閉耗盡型)兩種, PI采用的是D-Mode的技術(shù)路線，為什么做出這樣的選擇?

E-Mode GaN是一種常閉型設(shè)備，在不增加?xùn)艠O電壓的情況下，設(shè)備處于關(guān)閉狀態(tài)，不導(dǎo)電;為了形成導(dǎo)電通道，必須增加正柵極電壓——利用偏置層(P-參雜)實(shí)現(xiàn)“常開”模式的FET狀態(tài)，這樣做會增加驅(qū)動不當(dāng)產(chǎn)生的故障風(fēng)險。

同時，E-mode要滿足更高的驅(qū)動電壓裕量來保證可靠性，就需要降低驅(qū)動電壓。這樣會導(dǎo)致器件本身的導(dǎo)通電阻變大，這樣就犧牲了氮化鎵器件低導(dǎo)通電阻的優(yōu)勢。

PI資深技術(shù)培訓(xùn)經(jīng)理Jason Yan介紹新品

PI資深技術(shù)培訓(xùn)經(jīng)理Jason Yan談到：“PowiGaN(共源共柵架構(gòu))是一種常開型設(shè)備，使氮化鎵器件工作于其天然的“常閉”模式狀態(tài)。同時，PI的氮化鎵器件依靠通過串聯(lián)一個低壓MOS管來實(shí)現(xiàn)功率器件的常開狀態(tài)，不會犧牲氮化鎵的天然導(dǎo)通特性，D-Mode在高溫和高壓條件下具有更高的穩(wěn)定性和壽命。MOS管目前已經(jīng)具備非常成熟的驅(qū)動和保護(hù)技術(shù)，這樣的架構(gòu)無論是從保護(hù)還是驅(qū)動方面來說都不會對氮化鎵的優(yōu)勢性能產(chǎn)生影響?！?/p>

02|在高壓市場的應(yīng)用將會如何?

根據(jù)Yole Group預(yù)計，從2022年到2028年，氮化鎵功率器件市場將以49%的復(fù)合年增長率增長，市場價值將達(dá)到20.4億美元，這一增長得益于氮化鎵技術(shù)在提高能效、減小系統(tǒng)尺寸以及降低總成本方面的潛力。

所以氮化鎵目前仍是一個前景產(chǎn)業(yè)，無論是從材料、成本還是從技術(shù)發(fā)展和未來趨勢來看，相比技術(shù)成熟的硅以及成本昂貴的碳化硅，氮化鎵都具備更廣闊的空間。

據(jù)悉，此次1700V的氮化鎵開關(guān)IC的推出正是PI對氮化鎵市場應(yīng)用趨勢的獨(dú)特理解，主動進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新的詮釋。市場營銷副總裁Doug Bailey這樣表示：我們同客戶之間的溝通除了考慮基于客戶的基本需求外，PI更加注重對于市場和應(yīng)用的理解，進(jìn)而主動提供一些革命性的新產(chǎn)品與新技術(shù)給客戶更多的選擇。

圖源：PI官方

1700V氮化鎵開關(guān)IC實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品InnoMux?-2高精度的輸出以及1700V高壓的突破的雙創(chuàng)升級，同PI現(xiàn)有高壓解決方案(StackFET?解決方案)相比更具優(yōu)勢，氮化鎵技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域也就更廣闊。

此前，Yole Group化合物半導(dǎo)體部門市場活動經(jīng)理Ezgi Dogmus也表示：“到2029年底，功率氮化鎵器件市場規(guī)模將達(dá)到20億美元，并將擴(kuò)展到各個應(yīng)用領(lǐng)域。PI的1700V氮化鎵開關(guān)IC無疑將在這個市場中占據(jù)一席之地?！蹦俏磥頃谀男?yīng)用領(lǐng)域看到1700V氮化鎵開關(guān)IC的身影?

圖源：PI官方

針對不同應(yīng)用領(lǐng)域的氮化鎵產(chǎn)品適配要求，1700V額定耐壓的InnoMux2-EP系列憑借其高達(dá)300-1000V DC的寬輸入電壓范圍和強(qiáng)大的1700V耐壓能力，在工業(yè)控制、儀表、電機(jī)控制、儲能以及太陽能等對電壓范圍和耐壓能力有著極高要求的工業(yè)控制領(lǐng)域得到適用。

不僅如此，對于輸入電壓高達(dá)308V AC的應(yīng)用場景，如計算機(jī)CPU、微控制器(MCU)、數(shù)字信號處理器(DSP)、通信設(shè)備、功能性電源(包括傳動裝置、電機(jī)、照明、加熱器、揚(yáng)聲器、家電等)、電視機(jī)以及顯示器等領(lǐng)域，現(xiàn)有的750V耐壓的InnoMux-2 器件同樣兼具成本和性能效益。

1700V氮化鎵開關(guān)IC以其更小的尺寸、高效率以及高功率密度的解決方案，為氮化鎵高壓市場帶來了更豐富的選擇。

圖源：PI官方

即便氮化鎵的應(yīng)用前景相當(dāng)可觀，但是在氮化鎵產(chǎn)品應(yīng)用前景與產(chǎn)品本身始終無法繞開的一個問題就是如何做好成本與性能之間的兼顧。

圖源：PI官方

在氮化鎵領(lǐng)域如何平衡產(chǎn)品的成本與性能方面，PI從以下兩點(diǎn)進(jìn)行考慮：第一，使氮化鎵的die size（裸片尺寸）做得越小越好，最大程度上節(jié)省成本;第二，降低外延生長期間的缺陷率，同樣一個晶圓尺寸，能夠產(chǎn)出更多芯片數(shù)量，使得成本得以降低。PI發(fā)揮氮化鎵可以替代碳化硅的天然性能優(yōu)勢，極大平衡與兼顧成本跟性能兩個方面，提升市場競爭力。

03|寫在最后

隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和成本的進(jìn)一步降低，氮化鎵有望在高壓領(lǐng)域取代部分碳化硅器件，成為市場的新寵。即便如此，SiC器件在性能指標(biāo)、工藝成熟度等方面目前較氮化鎵而言確實(shí)具備更強(qiáng)的先發(fā)優(yōu)勢。

但值得肯定的是，1700V氮化鎵開關(guān)IC作為氮化鎵技術(shù)的重要突破，對于高壓市場也有重要的應(yīng)用，氮化鎵技術(shù)未來會如何發(fā)展，還會在實(shí)際應(yīng)用中呈現(xiàn)怎樣的效果，我們將拭目以待。

本文為嗶哥嗶特資訊原創(chuàng)文章，未經(jīng)允許和授權(quán)，不得轉(zhuǎn)載

審核編輯 黃宇