基于GaN晶體管的500W電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案 GaN和汽車究竟是什么關(guān)系

在 PCIM Europe 2020、SEMICON China 2020 等一些與功率半導(dǎo)體相關(guān)的國(guó)際會(huì)議上，以 GaN（氮化鎵）和 SiC（碳化硅）為代表的寬帶隙（WBG）半導(dǎo)體繼續(xù)占據(jù)著演講臺(tái)的“C 位”，尤其是 GaN 在未來汽車中的角色更是令人興奮，為未來很長(zhǎng)一段時(shí)間的行業(yè)發(fā)展帶來了機(jī)遇。今天就談?wù)?GaN 和汽車究竟是什么關(guān)系，當(dāng)然也少不了提及其同門兄弟 SiC。

氮化鎵欲復(fù)制功率 MOSFET 的成功

歷史總是驚人地相似。EPC 公司 CEO 兼共同創(chuàng)始人 Alex Lidow 博士講了一個(gè)故事：“44 年前，當(dāng)我第一次開發(fā)功率器件時(shí)，‘獸中之王’是硅功率雙極晶體管?！?978 年，他的國(guó)際整流器公司（IR）推出了功率 MOSFET，作為一種更快速度的替代品，它取代了較慢和老化的雙極器件。功率 MOSFET 的早期采用者是兩極不夠快的應(yīng)用。其采用的標(biāo)志性例子是臺(tái)式計(jì)算機(jī)開關(guān)電源，先是蘋果，然后是 IBM。
他說，直到 20 世紀(jì) 80 年代中期，功率 MOSFET 的量產(chǎn)才使功率 MOSFET 的成本與雙極晶體管相當(dāng)。那時(shí)，IR 發(fā)起了替代雙極晶體管的進(jìn)攻，目標(biāo)是占據(jù)雙極晶體管市場(chǎng)最大份額的摩托羅拉。作為回應(yīng)，摩托羅拉強(qiáng)調(diào)，MOSFET 存在可靠性、高價(jià)格和不可靠的供應(yīng)鏈等問題。

盡管如此，功率 MOSFET 仍然在雙極晶體管之前占主導(dǎo)地位的應(yīng)用中獲得了認(rèn)可。摩托羅拉認(rèn)識(shí)到這項(xiàng)新技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，也推出了功率 MOSFET，并承諾兩項(xiàng)技術(shù)“我們都做，所以從我們這里購(gòu)買最好”。問題是，它沒有做出最好的功率 MOSFET，最終輸?shù)袅税雽?dǎo)體材料之爭(zhēng)。

具有諷刺意味的是，如今功率 MOSFET 是“獸中之王”，而硅基氮化鎵（GaN-on-Si）功率器件則是挑戰(zhàn)者。GaN 晶體管開關(guān)比 MOSFET 快 10 倍，比 IGBT 快 100 倍。GaN 是不是會(huì)復(fù)制功率 MOSFET 的成功歷史呢？

堂前燕飛入百姓家

在 CES 2020 通過手機(jī)充電器引爆主流消費(fèi)市場(chǎng)之前，GaN 功率市場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)力主要是那些成本不敏感的高端和高性能應(yīng)用，如航空航天、軍事領(lǐng)域等。這些應(yīng)用需要的就是高性能、高頻開關(guān)、低導(dǎo)通電阻和較小封裝尺寸的芯片或模塊。

GaN 功率器件的開始了舊時(shí)王謝堂前燕飛入尋常百姓家的變化，更是出現(xiàn)了新產(chǎn)品目不暇接的局面，GaN 終于迎來了自己的顛覆時(shí)刻。

GaN 功率器件正向大功率進(jìn)發(fā)

我們看到，基于 GaN 的解決方案具備更高效率、可靠性和功率密度，因此可以提升各種功率系統(tǒng)的性能，其功率密度是硅 MOSFET 所無法實(shí)現(xiàn)的。2020 年，GaN（還有 SiC）在成本方面已達(dá)到廣泛采用的程度，盡管其總的市場(chǎng)份額仍然很低。隨著成本下降，預(yù)計(jì)到 2025 年這些器件的年復(fù)合增長(zhǎng)率將接近 30%。

GaN 可能無處不在

為了使產(chǎn)品在競(jìng)爭(zhēng)中脫穎而出，或?qū)崿F(xiàn)無法達(dá)到成本和性能目標(biāo)的一些產(chǎn)品，GaN 已進(jìn)入電子行業(yè)的視野，其性能、可靠性和解決方案引起了業(yè)界廣泛關(guān)注。在這方面，GaN Systems 銷售和營(yíng)銷副總裁 Larry Spaziani 有話要說。

他指出，寬帶隙市場(chǎng)的推動(dòng)力在于，其材料具有比硅相寬很多的帶隙，可以在高電壓、高溫度和高頻率下工作，滿足不斷增長(zhǎng)的提高能源效率和延長(zhǎng)電池壽命的需求?！癎aN 會(huì)走向何方呢？它幾乎無處不在。這一預(yù)測(cè)可以從各細(xì)分市場(chǎng)的亮點(diǎn)和進(jìn)展中看出?！盠arry Spaziani 說。

先來看 AC/DC，2019 年末，GaN 已出現(xiàn)在適配器中，2020 年開始大規(guī)模量產(chǎn)。功率密度要達(dá)到 100W/in3，效率達(dá)到 99%，就必須使用寬帶隙。先是 SiC 二極管進(jìn)入市場(chǎng)，而現(xiàn)在 GaN 開始在服務(wù)器開關(guān)電源領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位。服務(wù)器電源正在向 48V 和 100V 的 GaN 和低壓硅結(jié)合的方向發(fā)展，這一趨勢(shì)已經(jīng)顯現(xiàn)。到 2024 年，幾乎每臺(tái)服務(wù)器的 AC/DC 側(cè)都將由寬帶隙控制，在 48V AC/DC 側(cè)將有顯著的 GaN 含量。

電機(jī)是全球耗電大戶，盡管電壓很高，硅仍然是主流。不過，GaN 和 SiC 都在向高效率變頻驅(qū)動(dòng)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)軍。但這個(gè)市場(chǎng)非常保守，適應(yīng)新技術(shù)的速度很慢，到 2025 年將有 10%到 15%的替代率。

Larry Spaziani 認(rèn)為，在成本高度敏感、產(chǎn)品種類繁多的消費(fèi)市場(chǎng)，高端產(chǎn)品已開始轉(zhuǎn)向 GaN，到 2025 年中后期將達(dá) 50%。例如，電視機(jī)中的高頻 AC/DC 電源可以做成超薄型。目前，大部分高端音響系統(tǒng)也改用了 GaN。在家用電器方面，全球?qū)π实囊笮枰叨藟嚎s機(jī)和功率因數(shù)校正（PFC）電路采用 GaN 和 SiC。

太陽能和儲(chǔ)能行業(yè)對(duì)成本同樣敏感，接受新技術(shù)時(shí)非常謹(jǐn)慎。但在過去 5 年，寬帶隙產(chǎn)品已經(jīng)慢慢地滲透到這個(gè)市場(chǎng)。雖然 GaN 比 SiC 好，但 GaN 沒有太陽能逆變器所需的高電壓。

高可靠性 / 軍事部分更需要高性能、小尺寸和低重量，對(duì)成本不敏感，這是 GaN 和 SiC 最快的采用者之一。正是這個(gè)市場(chǎng)證明了寬帶隙優(yōu)于其他產(chǎn)品的可靠性。

未來，汽車將是寬帶隙產(chǎn)品的最大市場(chǎng)，由于更高的性能和更高的可靠性，GaN 將在 2020 年和 2021 年迎來大規(guī)模采用，重點(diǎn)是電動(dòng)汽車的車載充電器（OBC）、AC/DC 功率轉(zhuǎn)換和牽引逆變器。

全 GaN 汽車的證明

在 PCIM Europe 2020 上，GaN Systems 首席執(zhí)行官 Jim Witham 介紹了一款 All-GaN（全氮化鎵）汽車。他說：“GaN 技術(shù)正在改變整個(gè)行業(yè)的游戲規(guī)則。最新的 GaN 解決方案、設(shè)計(jì)工具和產(chǎn)品已在消費(fèi)類、工業(yè)、汽車和數(shù)據(jù)中心等行業(yè)贏得了客戶的廣泛青睞?！?/p>

全 GaN 汽車是此前名古屋大學(xué)利用 GaN Systems 的技術(shù)開發(fā)的。它采用可再生能源的太陽能蓄電池，證明了 GaN 在汽車功率轉(zhuǎn)換方面的可行性，當(dāng)然也適合所有需要更高電壓、頻率、溫度和效率的應(yīng)用。

太陽能全氮化鎵汽車

Jim Witham 認(rèn)為，從 2020 開始，電動(dòng)汽車行業(yè)已建立了積極的性能目標(biāo)，從業(yè)者通過分析每個(gè)關(guān)鍵電子系統(tǒng)所需的性價(jià)比，得出了針對(duì)消費(fèi)者、汽車制造商和 Tier 1 的以下未來目標(biāo)。

車載充電器成本將從 50 美元 / 千瓦降至 35，降低 30%；比功率（千瓦 / 公斤）將從 3 增加到 4，重量下降 30%；功率密度（千瓦 / 升）將從 3.5 增加到 4.6，體積下降 33%；效率將從 97%增加到 98%，損耗下降 33%。

硅與氮化鎵車載充電器的比較

DC-DC 轉(zhuǎn)換器成本將從 50 美元 / 千瓦降至 30，成本降低 40%；比功率（千瓦 / 公斤）將從 1.2 增加到 4，重量下降 70%；功率密度（千瓦 / 升）將從 3.0 增加到 4.6，體積下降 50%；效率從大于 94%增加到 98%，損耗下降 60%。牽引逆變器成本將從 8 美元 / 千瓦降至 6，成本降低 25%；功率密度（千瓦 / 升）將從 4.0 增加到 33，體積下降 88%。

水冷走向風(fēng)冷的 DC-DC 及 GaN 逆變器

可以發(fā)現(xiàn)，這里給出的汽車用 GaN 的用途與下面 EPC（宜普電源轉(zhuǎn)換公司）CEO 兼共同創(chuàng)辦人 Alex Lidow 博士介紹的幾種 GaN 應(yīng)用還是有區(qū)別的。

氮化鎵汽車應(yīng)用

Jim Witham 表示，GaN 除了能實(shí)現(xiàn) 4 通道、納秒脈沖高分辨率的遠(yuǎn)距離激光雷達(dá)，實(shí)現(xiàn) 480W 遠(yuǎn)距離光功率，使性能提高 10 倍之外，還可利用其高頻無線充電的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)座艙內(nèi)無線充電，即高功率、快速對(duì)多部手機(jī)同時(shí)充電，手機(jī)可隨意放置，且不受異物干擾。

座艙內(nèi)氮化鎵高頻無線充電

汽車應(yīng)用繁多，值得大 GaN 一場(chǎng)

彭博新能源財(cái)經(jīng)數(shù)據(jù)顯示，2018 年電動(dòng)汽車年用電量為 60 太瓦時(shí)（TWh），到 2040 年，如果電動(dòng)汽車使用量增加 7%，用電量將達(dá)到 2333 太瓦時(shí)。只有采用寬帶隙半導(dǎo)體才能推進(jìn)節(jié)能減排。

電動(dòng)汽車年用電量走勢(shì)

氮化鎵技術(shù)為什么能夠推動(dòng)車載系統(tǒng)的發(fā)展呢？Alex Lidow 博士介紹了四個(gè)方面的應(yīng)用：車載信息娛樂系統(tǒng) DC-DC 轉(zhuǎn)換器、無刷直流（BLDC）汽車電機(jī)、自主導(dǎo)航光檢測(cè)和測(cè)距（激光雷達(dá)）及 48V 輕混動(dòng)力（MHEV）汽車。

他介紹說，到 2022 年，全球車載信息娛樂系統(tǒng)出貨量將達(dá) 1.83 億臺(tái)。其中的觸摸屏、藍(lán)牙通信、數(shù)字和高清電視、衛(wèi)星廣播、GPS 導(dǎo)航、高級(jí)駕駛員輔助系統(tǒng)（ADAS）、D 類音頻放大器、內(nèi)部控制臺(tái)和座艙照明，甚至游戲應(yīng)用都增加了功率系統(tǒng)的要求，而儀表板實(shí)現(xiàn)這些電源的空間卻非常有限，散熱也是一個(gè)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

他認(rèn)為，在降壓轉(zhuǎn)換器的硬開關(guān)應(yīng)用中，eGaN FET 具有非常低的 QGD 和整體開關(guān)損耗，可大大提升效率，更容易解決散熱問題。eGaN 器件非常適合上述車載應(yīng)用的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器，12V 至 24V 的輸入電壓、小尺寸可以實(shí)現(xiàn)負(fù)載點(diǎn) 2MHz 頻率的開關(guān)，而不會(huì)干擾 AM 頻段。

車載 2MHz 開關(guān)電源

在 12V/3.3V 轉(zhuǎn)換器中使用 eGaN FET 代替硅 MOSFET 器件，效率可提高近 5％、功耗低 2W，或功耗降低約 50％。另外，eGaN FET 解決方案還可以使工作溫度降低 10℃。

再來看無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。目前平均每輛車有 10 個(gè)電機(jī)，運(yùn)行的功能包括門鎖、行李箱鎖、天窗、氣泵、通風(fēng)系統(tǒng)、電池管理、加熱控制、電動(dòng)轉(zhuǎn)向等。

汽車中的電機(jī)分布

BLDC 更耐用，維護(hù)簡(jiǎn)單，更小型化和節(jié)能，響應(yīng)速度更快，重量也更輕。此外，它也不容易出現(xiàn)有刷電機(jī)常見的各種故障，保修成本更低。隨著汽車轉(zhuǎn)向 48V 母線架構(gòu)，采用 30W 至 1kW 功率級(jí)的 BLDC 比有刷或交流感應(yīng)電機(jī)更具優(yōu)勢(shì)。基于 GaN 器件的 48V 車用電機(jī)驅(qū)動(dòng)還可以在高于可聽頻譜頻率下高效工作，具有更強(qiáng)有力的轉(zhuǎn)矩和更高的效率，有助于更長(zhǎng)的電池續(xù)航時(shí)間。

基于 GaN 晶體管的 500W 電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案

前不久，EPC 推出了包含驅(qū)動(dòng)器、電平、同步自舉電路和輸入邏輯的 EPC2152 ePower? Stage 80VIN 單片半橋集成電路，適用于低于 500W 的 BLDC 電機(jī)。它在單芯片上集成了多種功能，只需 3 個(gè)芯片、數(shù)字控制器、電感元件和濾波元件，即可搭建完整的 BLDC 驅(qū)動(dòng)器。

既然說到了 48V，就不能不提 48V 輕混動(dòng)力汽車的趨勢(shì)。預(yù)測(cè)計(jì)到 2025 年，全球銷售的每 10 輛汽車中將有一輛是 48V 車。48V 系統(tǒng)有助于提高燃油效率，在使用相同大小發(fā)動(dòng)機(jī)的條件下實(shí)現(xiàn)多四倍的功率，還可在不增加系統(tǒng)成本的情況下實(shí)現(xiàn)二氧化碳減排。這些系統(tǒng)需要 1 千瓦至 3.5 千瓦的 48V/12V 雙向轉(zhuǎn)換器，其設(shè)計(jì)要求是尺寸、可靠性和成本。

基于 GaN 技術(shù)的 48V 車用母線系統(tǒng)恰恰可以提高效率，降低尺寸和系統(tǒng)成本。例如，在 3 千瓦多相降壓轉(zhuǎn)換器中，由于 GaN 器件具備快速開關(guān)特性，其方案可以在每相 250kHz 下高效運(yùn)行，傳統(tǒng) MOSFET 方案的工作頻率很低。每相僅 125kHz。工作頻率提升就可以使用更小的電感（4.7μH 降至 2.2μH）和較小的電感 DC 阻抗（從 1.7mΩ降至 0.7mΩ），所以基于 GaN 器件的方案的功耗和尺寸都更小。

GaN 器件可以縮小轉(zhuǎn)換器尺寸

eGaN FET 方案除了減少一相和雙倍開關(guān)頻率的優(yōu)勢(shì)，效率也比五相的 MOSFET 方案更高。滿載時(shí)，其效率高 0.7％。10％負(fù)載時(shí)，其效率高 5％。這代表滿載功耗降低了約 21W。與基于 MOSFET 的等效系統(tǒng)相比，減少的相數(shù)可以降低系統(tǒng)成本達(dá) 20%。

Alex Lidow 博士最后介紹了汽車激光雷達(dá)。在 ADAS 中使用激光雷達(dá)比雷達(dá)更好，GaN FET 的一些關(guān)鍵參數(shù)正好可以發(fā)揮激光雷達(dá)傳感器的優(yōu)勢(shì)，這是硅器件所無法實(shí)現(xiàn)的。GaN 器件可在很高的峰值電流工作，增加距離幀測(cè)能力。超低的柵極電荷、柵極阻抗和電感都有助于提高激光雷達(dá)系統(tǒng)的圖像分辨率和幀速。GaN 器件采用芯片級(jí)封裝，設(shè)計(jì)人員可以將 GaN 驅(qū)動(dòng)電路放在靠近激光的位置，實(shí)現(xiàn)快速轉(zhuǎn)換，提高幀速和分辨率。

GaN 方案與硅方案的激光雷達(dá)效果

另外，在遠(yuǎn)程檢測(cè)的直接飛行時(shí)間（dToF 激光雷達(dá)）系統(tǒng)中，利用 GaN 提供的大電流和短脈寬，可實(shí)現(xiàn) 300 米可見度和厘米級(jí)分辨率。而在近距離、高精度激光雷達(dá)應(yīng)用中，GaN 同樣有助于間接飛行時(shí)間（iToF）激光雷達(dá)每次捕獲百萬像素。

德州儀器（TI）高壓電源應(yīng)用產(chǎn)品業(yè)務(wù)部氮化鎵功率器件產(chǎn)品線經(jīng)理 Steve Tom 在展示氮化鎵產(chǎn)品時(shí)也說：“GaN 實(shí)現(xiàn)更高效和性能卓越的電源，其中的原因是多方面的，快速爬升時(shí)間、低導(dǎo)通電阻、低柵電容和輸出電容，都降低了開關(guān)損耗，并支持以多種頻率工作，速度通常比當(dāng)今硅基解決方案快一個(gè)數(shù)量級(jí)?！备偷膿p耗等同于更高效的電源分布，減少了發(fā)熱并精簡(jiǎn)了實(shí)用冷卻方案。

TI 為雷達(dá)、汽車、不間斷電源、電機(jī)控制、電流測(cè)量和其他領(lǐng)域的應(yīng)用提供了 GaN 參考設(shè)計(jì)，可靠的現(xiàn)成電路可以幫助客戶設(shè)計(jì)出盡可能高效的 GaN 電源系統(tǒng)。

GaN 之于汽車，封裝結(jié)構(gòu)更重要

眾所周知，傳統(tǒng)芯片封裝的內(nèi)部都有金線或銅線連接內(nèi)部單元和芯片封裝的引腳，即焊線。這是芯片制造中非常成熟的工藝。

芯片內(nèi)部的焊線工藝

功率器件大多采用傳統(tǒng) TO-220、TO-247 和 D2PAK-7 封裝，以處理大多數(shù)高功率應(yīng)用的電壓、電流和散熱問題。這些器件很容易貼合散熱器，確保出色的散熱效果。但其長(zhǎng)引腳會(huì)產(chǎn)生寄生電感，成為高頻開關(guān)的限制因素。因此，現(xiàn)在 GaN 器件通常采用 LGA 或 QFN 封裝及專有的 GaNPX?嵌入式封裝，但也都離不開內(nèi)部焊線。

常見的傳統(tǒng)封裝形式

隨著汽車電氣化、數(shù)據(jù)中心和 5G 通信高效電源的應(yīng)用，市場(chǎng)正進(jìn)入快速開關(guān)、高壓大功率寬帶隙半導(dǎo)體器件的新時(shí)代，650V 及以上電壓的新標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)運(yùn)而生。雖然半導(dǎo)體技術(shù)在不斷發(fā)展，但這些器件的功率封裝仍在延用傳統(tǒng)形式，使器件的功效大打折扣。

一直為 MOSFET 和 GaN 產(chǎn)品構(gòu)思和開發(fā)各種封裝設(shè)計(jì)的 Nexperia（安世半導(dǎo)體）封裝工程師 Ding Yandoc 表示，很長(zhǎng)時(shí)間，高壓應(yīng)用迫使設(shè)計(jì)師不得不使用 TO-220、TO-247 及 D2PAK-7 等傳統(tǒng)功率封裝形式。但隨著開關(guān)頻率不斷提高，特別是引入了 GaN 之后，這些傳統(tǒng)封裝的限制便顯現(xiàn)出來。

Ding Yandoc 承認(rèn)，高壓功率 FET 也有 D2PAK-7 表面貼裝方案，就像 TO-220 一樣，已成為行業(yè)認(rèn)可的主流封裝。即使這類封裝沒有長(zhǎng)引腳帶來的寄生電感問題，但其芯片內(nèi)確實(shí)有焊線。隨著電路板空間和元件高度的不斷減小，需要考慮利用電路板散熱，因此這類封裝也遇到了一些問題。

他認(rèn)為，封裝的創(chuàng)新必須跟上半導(dǎo)體技術(shù)的節(jié)湊，在一些應(yīng)用中，傳統(tǒng)封裝方案的能力綽綽有余，但為了充分發(fā)揮新型高壓寬帶隙半導(dǎo)體的優(yōu)勢(shì)，開發(fā)新的封裝方案刻不容緩。此前已在采用的銅夾片技術(shù)在優(yōu)化電氣和熱性能方面是很好的選擇，可以引入到 GaN 器件當(dāng)中，特別是采用 LFPAK 和 CFP 封裝的雙極性晶體管、MOSFET 和整流二極管。

用銅夾片代替內(nèi)部焊線的 LFPAK 封裝

LFPAK 封裝的優(yōu)勢(shì)

除了電氣和熱性能優(yōu)勢(shì)，相比傳統(tǒng)通孔和 QFN 封裝，銅夾片技術(shù)還能實(shí)現(xiàn)電路板級(jí)的高可靠性和焊點(diǎn)的高級(jí)光學(xué)檢測(cè)（AOI）。為了適應(yīng)級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu) GaN FET，提供可擴(kuò)展的引腳尺寸，新封裝還引入了幾種功能，如利用 Nexperia 第二代 H2 氮化鎵技術(shù)，將高 HEMT 柵極放在芯片底部，改善了動(dòng)態(tài) RDS（on），無需浮動(dòng)襯底，能夠用同樣芯片尺寸實(shí)現(xiàn)更多芯片單元。此外，通過外部連接實(shí)現(xiàn)了基于級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)器件在 HEMT 柵極和硅 FET 源極之間的連接，但需要更改電路板布局，為此，芯片內(nèi)部引入了多個(gè)支柱，既可保證一定的冗余設(shè)計(jì)，又提高了散熱性能。

內(nèi)部和外部柵 - 源連接都采用內(nèi)部連接方案

創(chuàng)新的 CCPAK 封裝將銅夾片封裝技術(shù)的所有優(yōu)點(diǎn)應(yīng)用在了 650V 及更高電壓的應(yīng)用。其顯著特點(diǎn)之一是 12mm×12mm 外形尺寸，比 D2PAK-7 減少了 10%，高度只有 2.5mm，幾乎是 D2PAK-7 的一半。這意味著，在相同的空間內(nèi)可以容納更大的芯片，客戶還可以用相同引腳尺寸實(shí)現(xiàn)更高電壓的產(chǎn)品組合。

新型 CCPAK1212 功率封裝

客戶可以既利用高壓功率晶體管銅夾片技術(shù)的好處，又能將底部散熱變?yōu)轫敳可釂?？可以。CCPAK1212i 可以翻轉(zhuǎn)封裝，為開關(guān)拓?fù)潆y以處理或需要處理環(huán)境溫度的客戶提供更好的芯片和電路板散熱能力。

封裝翻轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)靈活的頂部散熱

汽車正成為氮化鎵大規(guī)模采用的主角

硅器件的可靠性已被 30 多年應(yīng)用所證明。寬帶隙半導(dǎo)體要由誰來證明呢？答案正是需要更高可靠性的電動(dòng)汽車等新興市場(chǎng)。電力電子技術(shù)的發(fā)展一直以提高功率轉(zhuǎn)換效率為己任，寬帶隙材料最早從 SiC 二極管開始，而推動(dòng)銷量增長(zhǎng)的主要?jiǎng)恿κ请妱?dòng)汽車對(duì)長(zhǎng)續(xù)航里程和較低電池成本的需求。既然 GaN 的可靠性毋庸置疑，那么，市場(chǎng)采用率和趨勢(shì)的驅(qū)動(dòng)力還有哪些呢？

Larry Spaziani 認(rèn)為，可靠性之外還有成本和供應(yīng)能力。電力電子一直是受成本控制的市場(chǎng)，因此，當(dāng)寬帶隙產(chǎn)品以高價(jià)進(jìn)入市場(chǎng)時(shí)，接受度自然很低。正是一些超前型應(yīng)用的采用化解了寬帶隙產(chǎn)品的尷尬。GaN 和 SiC 現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展到第四代、第五代，有些地區(qū)的價(jià)格已經(jīng)與硅相差無幾，采用率正在逐步提升。

他相信，只有擁有合理的成本，并不斷制定持續(xù)降低成本的路線圖，同時(shí)還擁有一個(gè)成熟的完整供應(yīng)鏈，確保客戶在與硅產(chǎn)品相同的訂單上獲得穩(wěn)定供應(yīng)和可靠性，才會(huì)讓寬帶隙產(chǎn)品成為市場(chǎng)的真正贏家。

十年來，整個(gè)行業(yè)都存在高成本、有限的產(chǎn)量和受限的供應(yīng)鏈問題?！安还芗夹g(shù)如何，所有客戶都很關(guān)心成本和供應(yīng)鏈。在這方面寬帶隙與硅很相似。不過，SiC 和 GaN 的發(fā)展也存在差異?！盠arry Spaziani 說。

他解釋說，硅是在硅錠中生長(zhǎng)的，然后被切成薄片，也就是晶圓；而碳化硅是塊狀生長(zhǎng)的，在質(zhì)量和數(shù)量上都很難保證。所以，業(yè)界最擔(dān)心的是，一旦電動(dòng)汽車市場(chǎng)啟動(dòng)，碳化硅的大批量供貨可能出現(xiàn)問題。即使 Cree 等一些頭部企業(yè)加大了投資來擴(kuò)大碳化硅產(chǎn)能，但供應(yīng)量仍然有限。相比之下，商用和車用氮化鎵是在普通硅片上開發(fā)的，大多采用標(biāo)準(zhǔn) CMOS 工藝。氮化鎵的產(chǎn)量只受限于外延反應(yīng)室，在 3 至 4 個(gè)季度的交貨期內(nèi)，可以擴(kuò)大到任何規(guī)模。因此，氮化鎵沒有任何供應(yīng)鏈?zhǔn)芟薜膿?dān)憂。

碳化硅和氮化鎵的供應(yīng)商都有自己的專有技術(shù)，通常沒有多個(gè)貨源。因此，客戶正在系統(tǒng)級(jí)謀求各種貨源，如使用多家供應(yīng)商的器件來開發(fā)一個(gè)產(chǎn)品，使兩個(gè)供應(yīng)商的芯片都可以勝任應(yīng)用。一些供應(yīng)商也已經(jīng)簽訂了多源協(xié)議，以消除客戶的后顧之憂。

總結(jié)

正如 Steve Tom 所說，時(shí)下對(duì)電源效率的需求越來越緊迫，功率系統(tǒng)設(shè)計(jì)師不必再等待 GaN 革命的爆發(fā)。就在今天，GaN 的集成化解決方案，加上可以隨時(shí)利用的各種針對(duì)廣泛應(yīng)用的參考設(shè)計(jì)，既可以縮短開發(fā)時(shí)間，又可以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，讓世界變得更智能，更環(huán)保。

編輯：hfy