近年来,氮化镓(GaN)作为一种极具吸引力的宽禁带(WBG)半导体材料,在中低压应用领域迅速崛起。这种材料凭借其高性能和小尺寸的特点,在便携式电子设备中展现出巨大潜力。然而,氮化镓的技术进步并未止步于此,其在高压应用中的潜力同样令人瞩目。
近日,在国际集成电路展览会暨研讨会(IIC Shenzhen 2024)同期举办的2024年CEO峰会上,Power Integrations(PI)公司的营销副总裁Doug Bailey以“Will SiC Survive the Emergence of Super-High Voltage GaN?”为题发表了一场颇具争议性的演讲,探讨了超高压氮化镓技术的崛起及其对碳化硅(SiC)市场的潜在影响。这一演讲不仅引人深思,而且具有重要的现实意义。
Bailey指出,Power Integrations近期推出了1700V的氮化镓器件,这是首个超过1250V的氮化镓器件。此前,该公司已于一年前推出了1250V的器件。这些进展表明,氮化镓技术正在迅速发展,逐渐逼近甚至超越碳化硅的性能。Bailey强调,这一系列创新旨在取代碳化硅,这是该公司的使命。
根据国际能源署(IEA)发布的净零经济投资图,每年约有4万亿美元的投资用于需要功率半导体的设备、系统和机器。这是一个巨大的市场,涵盖氢能源、电力系统、交通和工业过程电气化,以及太阳能和风能等可再生能源领域。氮化镓和碳化硅等宽禁带半导体在这些领域具有广泛的应用前景。
为何氮化镓和碳化硅等宽禁带半导体产品更受青睐?从根本上说,这些材料耗散的能量更少,效率更高。高效率意味着可以在更小的空间内实现相同的功能。此外,当其他材料无法满足需求时,这些材料仍然可以胜任。在处理能量时,高效率还能节省成本。然而,尽管硅在许多方面表现不佳,如耗散能量大、体积庞大、动态性能差,但其依然被广泛使用,主要归因于其悠久的历史。
碳化硅作为一种高压功率半导体,在几乎所有可以想象到的方面都更胜一筹。无论是从效率、机械尺寸还是电气适用性来看,氮化镓与碳化硅不相上下,但在电压宽度方面,氮化镓才刚刚起步。“这正是我们在电源集成方面一直努力的方向。”Bailey如是说。
成本是半导体开关最重要的考量因素之一。成本从何而来?首先是材料成本,硅、碳和氮都不是稀有元素,其中最稀有的元素是镓。然而,实际上世界上有大量的镓资源,如果开采不受限制,成本可以大大降低。
接下来是产量问题。氮化镓在产量上落后于碳化硅,也远远落后于硅。这也是Power Integrations致力于改善产品成本结构的一个重要方面。
Bailey进一步指出了碳化硅的两个难以克服的缺陷,而氮化镓却能够克服这些问题。碳化硅的生产需要大量机器和时间,薄膜生长非常缓慢,熔炉需要长时间工作,导致机器成本高昂。此外,碳化硅需要在极高温度下处理,而氮化镓则可以使用普通的CMOS工艺制造。“在我看来,碳化硅的这两个‘缺陷’是该材料本身的根本问题,难以克服”。
宽禁带材料为何优于硅?随着裸片尺寸的增加,总损耗(导通损耗+开关损耗)降低。研究表明,宽禁带半导体在导通时表现出优异的导电性能。
“超导体具有一层非常薄的薄膜或载流子,当它们在材料中移动时,受到的阻力非常小。因此,这些器件或材料在传导损耗方面具有显著优势。”Bailey解释道。
电源开关的另一个关键作用是开关频率。在千赫兹、万赫兹,甚至百万赫兹的范围内频繁开关电源时,宽禁带材料的开关损耗非常低。由于其物理尺寸较小,开关时不需要用较大的电容放电,因此开关损耗显著降低。
将这两点结合起来,总损耗降低意味着与硅相比,宽禁带材料具有不可动摇的优势。对于任何应用领域而言,宽禁带材料都是一类更优的选择,唯一的差别在于成本。
以10的倍数来定义功率水平,从10W(可能是一个10W的手机充电器)到1GW(可能是通过高压直流线路传输的能量),可以定位一系列典型应用,包括高电压应用,如暖通空调(HVAC)和风力发电——风力发电已经达到10MW甚至20MW的水平,高速列车和逆变器驱动的电动汽车也达到了几百MW,再到电动汽车充电中的电桥,直至笔记本电脑适配器,甚至冰箱电源。
笔记本适配器领域的主导技术是什么?Bailey认为:“这一点非常明确,氮化镓是主流技术。如果你拥有一台新款笔记本适配器,很可能内部就使用了氮化镓技术。我想说的是,GaN在100W级别是主流。”
在1kW级别,如服务器电源、车载充电器、DC-DC转换器中,氮化镓都是赢家。在10kW级别,即大型服务器电源和太阳能电池阵列中,氮化镓同样表现出色。在Bailey看来,氮化镓无疑是比MOSFET或碳化硅更优的技术。
他认为,在电动汽车牵引领域,尽管目前人们一直在尝试使用碳化硅,但氮化镓最终将实现这一目标。
在极低功率水平下,当需要非常紧凑、微小的产品时,氮化镓是理想选择。但对于10W的电源而言,氮化镓器件可能过于小巧,不便于制造和组装,因此其优势并不明显。
在高压领域,IGBT仍将是首选器件,但1MW级别可能是个例外。这也是Bailey认为碳化硅的发展方向,即在IGBT和氮化镓之间徘徊,但氮化镓将在1MW级产品中占据主导地位。
回顾电源领域的发展历程,硅基器件已使用了很长时间。
大约四五年前,PI推出了首款750V的氮化镓器件。“我们推出的这款氮化镓器件在汽车领域表现非常出色。氮化镓在汽车领域广为人知,深受喜爱,被广泛用于汽车应急电源。它在1200V的总线上运行良好。汽车行业通常只需要800V,但他们喜欢多一些裕量。因此,我们推出了1700V的器件。我们已经通过了700V、900V和1700V的汽车认证。实际上,900V的氮化镓器件也通过了汽车认证。因此,这是400V总线应用的理想选择。大家可以在汽车应用中使用氮化镓器件。”Bailey介绍道。
去年,PI推出了一款1200V的氮化镓开关。这种开关特别适合保护那些使用工业电源的应用,或者那些市电可能不太稳定的地区。例如,印度就倾向于在计量系统中使用1250V的器件。
就在11月4日,PI推出了1700V的氮化镓器件。“我们为此感到非常自豪。”Bailey表示。
“从市场适用性来看,随着电压的提高,我们将以非常积极的方式拓展市场。我们从手机充电器、电视机、笔记本适配器起家,如今已进入汽车充电、计量系统、太阳能电池阵列和电池储能领域。”Bailey说道。
再来看氮化镓开关的相对效率。下图中有三条曲线。左边是750V的氮化镓开关,其工作电压约为400V。一旦超过400V,就需要使用新的1700V器件。相比之下,硅在电压升高时效率大幅下降。而氮化镓则没有明显的效率损失,这意味着在设计应用时,如果使用PI的器件,可以在不影响效率的情况下升级开关,从而提供额外的保护和电压裕量。
传统上,从硅材料获得高压支持的最佳替代方法是StackFET,即在750V低压氮化镓上串联一个StackFET。可以注意到,在900V的电压下,其效率约为82%,而在90V的电压下,其损耗几乎减少了一半。“这是一种更好的思路。当我们把效率从80%多提升到90%多时,损耗可以减少一半。或者,可以从相同的体积获得双倍的能量。这是非常重要的。”Bailey指出。
另外,并不是所有的氮化镓都相同。在设计最初的氮化镓产品时,PI决定采用耗尽型氮化镓,而其他公司则采用增强型。对于PI的应用领域而言,耗尽型氮化镓因其坚固性和可靠性而更为合适。
以下是一个笔记本充电器的例子。通常情况下,笔记本充电器的效率为90%或89%。“欧盟是国际上对笔记本充电要求最严格的国家,对于60W左右的充电器来说,充电效率为89%。我们的效率超过95%,是最好、最严格的国际标准损耗的一半,可以制造出世界上最紧凑的充电器和适配器。”Bailey表示。
这实际上使用了两个氮化镓器件,一个是主开关氮化镓,另一个用于分担少量变压器的能量。这就是所谓的有源钳位反激式拓扑。
总之,氮化镓现已在全球范围内得到广泛应用。无论是在冰箱、空调系统中,还是在服务器、咖啡机中,都可以见到其身影。最初应用于适配器的氮化镓,如今已无处不在。
因此,Bailey向工程师强烈推荐,“当您在考虑未来的产品设计,特别是电源子系统时,请务必考虑氮化镓,它确实是最佳选择”!
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