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近幾年，以碳化硅、氮化鎵為代表的第三代半導體因新能源汽車、儲能等應用的興起而備受關注。尤其是碳化硅，它在禁帶寬度、擊穿電壓、熱導率、電子飽和速率等關鍵參數(shù)上，都有明顯優(yōu)勢，所以它在需要高壓、耐高溫、高頻和大功率等應用領域備受青睞。眾多半導體大廠也在積極布局碳化硅器件領域。
而氮化鎵雖然擁有與碳化硅相似的優(yōu)點，但相較于碳化硅，近幾年的發(fā)展似乎有些不溫不火。在高壓領域，有碳化硅器件，在低壓領域，又有硅器件。近期Power Integration（PI）推出的首款1700V氮化鎵開關IC打破了這一局面，讓氮化鎵器件開始與碳化硅器件進行正面較量。
據(jù)PI資深技術培訓經(jīng)理Jason Yan介紹，PI近期推出的這款1700V氮化鎵開關IC是其InnoMux?-2系列單級、獨立調(diào)整多路輸出離線式電源IC的新成員。該氮化鎵開關IC采用了PI專有的PowiGaN?技術制造，并具有極高的多路輸出效率，可在反激設計中輕松支持1000VDC額定輸入電壓，并在需要一個、兩個或三個供電電壓的應用中實現(xiàn)90%以上的效率。每路輸出的調(diào)整精度都控制在1%以內(nèi)，也無需后級穩(wěn)壓器，并將系統(tǒng)效率進一步提高了約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，開關損耗也極小，所需的元件數(shù)目也大大減少。
那為何PI能夠將氮化鎵的耐壓值提高至1700V呢？這與PI采用的獨特的功率開關結構相關。氮化鎵功率器件的外延結構可分為D-mode（Depletion-mode/耗盡型）和E-mode（Enhance-mode/增強型）兩種。其中，耗盡型GaN是常開的，反之增強型GaN則是常關的。
市場上大多數(shù)廠商都采用增強型結構，而PI采用的則是耗盡型結構，然后采用級聯(lián)方式的“共源共柵”架構，在常開的耗盡型氮化鎵器件下，串聯(lián)一個小的MOS管。而MOSFET已經(jīng)存在很多年，其驅動技術和保護技術都已經(jīng)非常完善，所以PI利用現(xiàn)有的這種技術來控制耗盡型氮化鎵，可以實現(xiàn)一個非常可靠和安全的運作。同時，也更加容易實現(xiàn)更高電壓。
PI公司營銷副總裁Doug Bailey此前在一個行業(yè)會議上就表示，PI推出的1700V氮化鎵開關IC是業(yè)界首個超過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關選項變得越來越豐富，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，“我們的目標就是要取代碳化硅，這是我們公司的使命?！?/p>
其實，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高能耗、高成本的過程，還需要獨立建造生產(chǎn)線；而氮化鎵器件則基于現(xiàn)有的硅生產(chǎn)線就可以進行制造，這樣可以顯著節(jié)省成本。我們致力于用氮化鎵開關器件來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的高能耗、價格昂貴的碳化硅器件?！?/p>
他以汽車市場為例，目前，許多汽車用戶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，氮化鎵器件的應用范圍將進一步擴大。目前，氮化鎵器件主要應用于功率水平在100W左右的領域，在1KW以上，則是碳化硅的優(yōu)勢應用領域。但目前，氮化鎵在慢慢蠶食碳化硅的應用市場。Jason Yan認為，在1KW功率水平，氮化鎵將戰(zhàn)勝碳化硅成為主要的電源開關技術；在10KW功率水平，氮化鎵也已經(jīng)應用于新的設計中；在100KW，氮化鎵也即將得以應用。未來，氮化鎵開關將在10W-1MW功率水平之間，占據(jù)主導地位。
Jason Yan同時也表示：“對于氮化鎵器件，1700V不是頂點，PI未來肯定還會有更高的耐壓產(chǎn)品面世。除了耐壓增高以外，我們也會將電流能力進一步擴展，因為我們看好氮化鎵技術的發(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規(guī)模將達到20億美元，并將擴展到各個應用領域，與碳化硅器件相比，其成本優(yōu)勢更具吸引力。Jason Yan也表示：“碳化硅技術已經(jīng)非常成熟，但其成本仍然沒有下降，說明它已經(jīng)面臨瓶頸，而氮化鎵技術還是一個新興技術，相信未來會有非常廣闊的應用前景，成為一個主流的功率器件材料?！?/p>
