“雙碳”背景下，高轉(zhuǎn)換效率的氮化鎵應(yīng)用

電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/李誠(chéng)）在“雙碳”的發(fā)展趨勢(shì)下，能源轉(zhuǎn)換效率已成為各行各業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局公開(kāi)信息顯示，2020年城鄉(xiāng)居民總用電量10949億kWh，單戶家庭年平均用電量780kWh。以能源轉(zhuǎn)換效率提升1%為例，全國(guó)一年可節(jié)省電量109.5億kWh，節(jié)省下來(lái)的電量可供單戶居民用電1400萬(wàn)年。換算成電動(dòng)車行駛里程數(shù)，可供Model S充電1.68億次，行駛里程672億公里，由此可見(jiàn)提升轉(zhuǎn)換效率的重要性。

氮化鎵對(duì)“雙碳”起到什么作用？

“雙碳”提出的重點(diǎn)是解決能源問(wèn)題，而能源的重點(diǎn)就是電力，氮化鎵作為高轉(zhuǎn)換效率寬禁帶半導(dǎo)體材料的代表，應(yīng)用于輸配電、用電、儲(chǔ)能等各個(gè)環(huán)節(jié)中意義重大。低開(kāi)關(guān)損耗特性使得氮化鎵功率器件更有利于節(jié)能減排，高頻的特點(diǎn)也推動(dòng)了系統(tǒng)向高功率密度的發(fā)展。氮化鎵已成為了綠色經(jīng)濟(jì)發(fā)展的驅(qū)動(dòng)力，在雙碳的背景下，氮化鎵逐漸與更多產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生交匯點(diǎn)。

氮化鎵有高光效、高功率、高頻率、耐高溫，在相同功率下氮化鎵比硅基產(chǎn)品體積小等多個(gè)特點(diǎn)，在碳中和、碳達(dá)峰的推動(dòng)下在照明、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、數(shù)據(jù)中心、汽車、風(fēng)光電儲(chǔ)等領(lǐng)域得到了充分應(yīng)用。在構(gòu)建高效的能源系統(tǒng)，控制化石能源總量方面起到了重要作用。

成本降低、工作電壓提高，氮化鎵上車持續(xù)加速

隨著化石能源日益枯竭與綠色產(chǎn)業(yè)的興起，新能源汽車已成為未來(lái)的主要發(fā)展趨勢(shì)，但由于經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，硅功率半導(dǎo)體的潛在性能已被開(kāi)發(fā)至瓶頸，需要更高效的功率半導(dǎo)體材料來(lái)提升新能源汽車的性能。在高效、低能耗、高功率密度方面，氮化鎵恰好能滿足這一要求。

盡管氮化鎵功率器件集合了多種高性能的特性，但在汽車的應(yīng)用中依然會(huì)面臨一些問(wèn)題。根據(jù)氮化鎵目前的技術(shù)水平和材料特性來(lái)看，氮化鎵功率器件主要應(yīng)用在800V以下的中低壓領(lǐng)域，與汽車逆變器應(yīng)用的高壓需求存在著些許差距。

今年4月，比利時(shí)的IMEC研究實(shí)驗(yàn)室通過(guò)1200V GaN-on-QST外延技術(shù)，成功將氮化鎵的工作電壓提升至1200V。該技術(shù)主要是在200mm QST襯底上為橫向晶體管加入了更厚的外延 氮化鎵緩沖層，可用于1200V的汽車應(yīng)用中，并且通過(guò)這一技術(shù)還將氮化鎵功率器件的硬擊穿電壓提升至了1800V，打破了氮化鎵只適用于中低壓應(yīng)用的思維桎梏，極大地提高了功率器件工作的穩(wěn)定性。

據(jù)IMEC的高級(jí)業(yè)務(wù)開(kāi)發(fā)經(jīng)理Denis Marcon表示，這款功率器件最關(guān)鍵的一點(diǎn)是：可在200mm晶圓廠中采用COMS工藝進(jìn)行大批量的生產(chǎn)，極具成本優(yōu)勢(shì)。

高壓氮化鎵得以驗(yàn)證，有望成為開(kāi)關(guān)電源的首選

圖源：GaNPower

今年10月，GaNPower正式向外界展示了首款1200V單芯片E型氮化鎵功率器件，并將該功率器件中在7A/800V的雙脈沖測(cè)試板上進(jìn)行了功率開(kāi)關(guān)的驗(yàn)證。該系列芯片提供了兩種封裝方式，以滿足不同的應(yīng)用需求，GPIHV30DFN采用的是8*8 DFN的內(nèi)置引腳封裝，GPIHV30DDP5L采用的是TO263-5封裝。由于GPIHV30DFN采用的是DFN的封裝方式，為保證功率器件在高壓狀態(tài)下開(kāi)關(guān)的可靠性，GaNPower將S-D爬電距離設(shè)置為2.8mm，保留了充足的安全距離。同時(shí)，GPIHV30DDP5L封裝采用了GaNPower獨(dú)特的專利設(shè)計(jì)，為器件加入了凱文接線和小型輸入電容，用以降低浪涌電壓。

該系列芯片的額定擊穿為1200V，GaNPower為保證芯片工作的穩(wěn)定性，在芯片設(shè)計(jì)時(shí)提高了150V的電壓裕量，避免在工作過(guò)程中出現(xiàn)瞬態(tài)尖峰擊穿元件。同時(shí)，該系列芯片的導(dǎo)通電阻Rds為60Ω，并通過(guò)低導(dǎo)通電阻的方式降低系統(tǒng)損耗，提高系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率。

在汽車應(yīng)用中，汽車的直流母線電壓通常在700~800V之間，功率器件的額定電壓需要達(dá)到1200V，該系列芯片恰好滿足這一要求。據(jù)GaNPower官方表示，該系列氮化鎵功率器件的開(kāi)關(guān)速度比碳化硅功率器件快10倍，非常適用于構(gòu)建電動(dòng)汽車車載充電器和電機(jī)驅(qū)動(dòng)的功率轉(zhuǎn)換器，從而提高電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程，減少碳排放。

伴隨著氮化鎵市場(chǎng)的逐漸擴(kuò)大，有更多的廠商帶著價(jià)格更低的硅基氮化鎵進(jìn)入市場(chǎng)，加上工藝的升級(jí)，氮化鎵工作額定電壓得以提高，氮化鎵有望成為工作電壓為20V至1200V應(yīng)用的首選。

97.5%效率的48V DC/DC轉(zhuǎn)換器

10月，GaN Systems和EPowerlabs通過(guò)合作，共同推出了基于氮化鎵48V移動(dòng)應(yīng)用的DC/DC轉(zhuǎn)換器DDC48-1K。

圖源：GaN Systems

DDC48-1K是一款可在消費(fèi)、工業(yè)和汽車領(lǐng)域應(yīng)用的48V DC/DC電源轉(zhuǎn)換器，采用了GaN Systems 100V的氮化鎵功率晶體管GS61008P，GS61008P采用了獲得專利的Island Technology和GaNPX封裝，其中Island Technology技術(shù)能夠提高芯片的電流流通量，GaNPX技術(shù)能夠?qū)⑿酒⌒突耐瑫r(shí)，降低系統(tǒng)的寄生參數(shù)，將開(kāi)關(guān)損耗降低了50%，提升系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率，從而實(shí)現(xiàn)電能利用率的最大化。

據(jù)官網(wǎng)數(shù)據(jù)顯示，DDC48-1K的直流輸入電壓區(qū)間為24V~60V，額定輸出功率可高達(dá)1000W。在一般工作狀態(tài)下系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率能保持在95%以上，在滿載運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)效率可提升至97.5%，高出同類轉(zhuǎn)換器效率的4%。同時(shí)這款電源轉(zhuǎn)換器通過(guò)氮化鎵高效、小尺寸的特性，經(jīng)體積壓縮至傳統(tǒng)轉(zhuǎn)換器的1/3，設(shè)備功率密度提升至28W/in3，解決了在移動(dòng)應(yīng)用中，空間小的物理極限。在重量方面，由于采用了無(wú)外殼的設(shè)計(jì)，再加上基于氮化鎵高效的特性，使得元器件用量大幅降低，產(chǎn)品重量?jī)H為345g，相同功率的冷風(fēng)DC/DC電源轉(zhuǎn)換器重約750g，兩者相比DDC48-1K更輕。

高效、高功率密度和質(zhì)量更輕的氮化鎵電源轉(zhuǎn)換器，非常適用于優(yōu)化電動(dòng)汽車、工業(yè)電動(dòng)運(yùn)輸設(shè)備和機(jī)器人等應(yīng)用的電力系統(tǒng)，從而提升能源利用率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目的。

結(jié)語(yǔ)

在“雙碳”的背景下，新能源汽車、光伏逆變器、充電樁等綠色能源產(chǎn)業(yè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，市場(chǎng)對(duì)高效的功率器件需求大幅提升。隨著氮化鎵工作電壓的提升，應(yīng)用領(lǐng)域也得以拓展，加上低成本的硅基氮化鎵進(jìn)入市場(chǎng)，氮化鎵替代成本較高的碳化硅已成為可能，市場(chǎng)上升空間巨大。