【導(dǎo)讀】日前，PI宣布其PowiGaN氮化鎵技術(shù)額定電壓已提升至2200V，再一次刷新了商用氮化鎵的耐壓記錄。該技術(shù)標(biāo)志著GaN（氮化鎵）進(jìn)入了更高耐壓水平，也標(biāo)志著GaN正在將應(yīng)用范圍擴(kuò)展到了傳統(tǒng)上由SiC（碳化硅）主導(dǎo)的領(lǐng)域?！半妷涸礁?，我們看到的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手就越少?！盤I首席技術(shù)培訓(xùn)師Jason Yan說道，“我們現(xiàn)在不是同GaN廠商競(jìng)爭(zhēng)，而是在跟SiC競(jìng)爭(zhēng)。”
2200V的新市場(chǎng)入場(chǎng)券
Yole Group給與了PI 2200V產(chǎn)品高度評(píng)價(jià)，化合物半導(dǎo)體技術(shù)與市場(chǎng)分析師Roy Dagher博士指出：“以往受電壓規(guī)格限制，氮化鎵器件較少應(yīng)用于主功率變換應(yīng)用，該場(chǎng)景多采用碳化硅方案。2200V電壓等級(jí)的氮化鎵技術(shù)可為主功率級(jí)單級(jí)拓?fù)湓O(shè)計(jì)提供充足裕量，適配行業(yè)正在推進(jìn)的1500V數(shù)據(jù)中心與新能源汽車硬件設(shè)計(jì)。結(jié)合行業(yè)測(cè)算，功率氮化鎵器件市場(chǎng)規(guī)模預(yù)計(jì)將于2031年達(dá)到35億美元，高壓等級(jí)氮化鎵技術(shù)的落地應(yīng)用，將成為行業(yè)規(guī)模增長(zhǎng)的重要推動(dòng)力?！?/p>
根據(jù)PI給出的指引，2200V GaN擁有超過10億美元以上的市場(chǎng)機(jī)會(huì)，這對(duì)于PI而言是重要的市場(chǎng)前景。根據(jù)最近的財(cái)報(bào)顯示，工業(yè)和汽車業(yè)務(wù)營收同比增長(zhǎng)10%，環(huán)比增長(zhǎng)14%，彰顯了快速發(fā)展的機(jī)遇。
Jason列出了2200V高壓GaN的幾個(gè)重要預(yù)期市場(chǎng)，包括1500VDC母線的數(shù)據(jù)中心、1500V車用1MW充電器、1200V車規(guī)輔助電源、1500V光伏與儲(chǔ)能以及高壓直流輸電輔助電源等市場(chǎng)，在這些市場(chǎng)中，以往都是高壓SiC或者IGBT所占領(lǐng)。
“高壓GaN取代SiC的邏輯不只是成本?！盝ason認(rèn)為，GaN的價(jià)值遠(yuǎn)不如此，而是高頻高效率帶來的系統(tǒng)級(jí)優(yōu)勢(shì)。
首先，是更優(yōu)的開關(guān)性能指標(biāo)（FOM）。在反向恢復(fù)、開關(guān)能量、開關(guān)速度以及死區(qū)時(shí)間損耗等方面，GaN相較SiC具有一定優(yōu)勢(shì)。
其次，是更好的熱分布能力。隨著頻率及效率的提高，發(fā)熱自然會(huì)降低，這可以有效改善系統(tǒng)的熱管理。
第三，是更高的系統(tǒng)功率密度。由于這類變換器能夠采用更高的開關(guān)頻率，因此可以顯著縮小系統(tǒng)中的無源器件和散熱器尺寸，從而提升整體系統(tǒng)密度。
第四，是更低的系統(tǒng)成本。這不僅包括通過采用表面貼裝器件降低制造成本，還包括顯著減少電磁干擾（EMI）相關(guān)器件、縮小磁性濾波器尺寸，并降低散熱系統(tǒng)成本。
第五，是高可靠性。在反激電源中，功率開關(guān)承受的不只是輸入母線電壓，還包括由變壓器副邊反射回原邊的電壓以及漏感尖峰。因此隨著母線電壓和低壓輸出電壓提高，器件所需耐壓會(huì)明顯高于母線本身，高耐壓器件能夠?yàn)檫@些瞬態(tài)留下更大的設(shè)計(jì)裕量。
值得注意的是，此次PI僅僅發(fā)布了2200V高耐壓GaN技術(shù)，尚未推出任何產(chǎn)品，但PI也給出了開關(guān)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。2200V PowiGaN關(guān)斷態(tài)擊穿電壓>4kV，尚有2000V電壓裕量，另外，首次展示了在峰值電壓超過1500V條件下的連續(xù)開關(guān)運(yùn)行超過20小時(shí)，RDSon沒有變化，也驗(yàn)證了產(chǎn)品的穩(wěn)定溫升特性。
關(guān)于未來的產(chǎn)品，PI并沒有給出過多的透露，只是表示將適用于不同的功率范圍、拓?fù)浼軜?gòu)以及集成度選項(xiàng)，這意味著2200V產(chǎn)品還會(huì)面臨四大挑戰(zhàn)。
首先是功率等級(jí)。目前PI主做輔助電源等小功率應(yīng)用，如果未來產(chǎn)品從幾十瓦擴(kuò)展到1kW、3kW甚至更高功率，器件的電流、熱設(shè)計(jì)和封裝條件都會(huì)發(fā)生變化，需要重新驗(yàn)證。
第二個(gè)是拓?fù)?。輔助電源可能采用flyback，而主電源可能采用LLC等拓?fù)?。不同拓?fù)湎?，器件承受的電壓、電流和開關(guān)應(yīng)力不同。
第三個(gè)是集成度。未來PI可能既有高度集成的產(chǎn)品，也可能推出集成度較低、給客戶留下更大設(shè)計(jì)自由度的器件。
第四則依然是可靠度驗(yàn)證，盡管目前PI已經(jīng)做了一些驗(yàn)證，但距離高壓量產(chǎn)驗(yàn)證還差得遠(yuǎn)。不過根據(jù)Jason的說法，2018年以來，基于PowiGaN技術(shù)的功率轉(zhuǎn)換IC出貨量已超過2億顆，F(xiàn)IT<1，是值得信賴的合作伙伴。
PI的創(chuàng)新產(chǎn)品哲學(xué)
Jason也坦言，對(duì)于高壓的電力電子設(shè)備而言，對(duì)于可靠性的要求極高，并不敢于嘗試新的技術(shù)，畢竟一個(gè)系統(tǒng)因?yàn)橐粋€(gè)小器件而損壞會(huì)影響產(chǎn)品信譽(yù)?！暗傆械谝粋€(gè)要試的。”Jason說道，“目前2200V Gan有些適度超前，但這有助于保持PI領(lǐng)先地位，總要有一個(gè)標(biāo)桿，持續(xù)給競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手壓力，總會(huì)有客戶愿意嘗試創(chuàng)新，從而獲得競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)?！?/p>
PI把這一思路稱為“future-proofing”：今天先把技術(shù)能力準(zhǔn)備好，當(dāng)客戶未來開始設(shè)計(jì)更高電壓的平臺(tái)時(shí)，器件已經(jīng)具備相應(yīng)條件，讓客戶有更多選擇。
如果把Power Integrations這些年的GaN路線拉長(zhǎng)來看，2200V并不是一次突然的技術(shù)冒進(jìn)。
PI一直有一種很鮮明的產(chǎn)品哲學(xué)：真正有價(jià)值的創(chuàng)新，不是把市場(chǎng)現(xiàn)有產(chǎn)品性能提高一點(diǎn)，而是提前幾年準(zhǔn)備客戶未來才會(huì)需要的能力，多年以來，PI的PowiGaN以及Fluxlink隔離等多項(xiàng)技術(shù)，正是這種思路最集中的體現(xiàn)之一。
在很多功率半導(dǎo)體公司的傳統(tǒng)劃分中，GaN長(zhǎng)期主要集中在650V附近的高頻電源，繼續(xù)向1200V、1700V甚至更高電壓擴(kuò)展以后，SiC通常成為更自然的選擇。
PI卻很早就開始挑戰(zhàn)這條邊界。從900V PowiGaN開始，PI就已經(jīng)明顯走出了傳統(tǒng)650V GaN的主流區(qū)間。隨后是1250V、1700V，如今又進(jìn)一步來到2200V。
這幾個(gè)電壓節(jié)點(diǎn)并不是彼此孤立的產(chǎn)品升級(jí)，而是一條非常連續(xù)的高壓路線：900V開始突破傳統(tǒng)GaN耐壓邊界，1250V進(jìn)入1200V級(jí)寬禁帶市場(chǎng)，1700V進(jìn)一步進(jìn)入SiC長(zhǎng)期占據(jù)優(yōu)勢(shì)的高壓區(qū)域，而2200V一下子領(lǐng)先對(duì)手至少兩代。
一直以來，PI就堅(jiān)信GaN要超越SiC這一愿景，在PI的見解中，100KW以內(nèi)市場(chǎng)都將是GaN的主力方向。
越來越多的1kW至10kW應(yīng)用將可以通過氮化鎵得以實(shí)現(xiàn)（而這些應(yīng)用以前都是MOSFET和碳化硅的天下），而且不會(huì)止步于此。目前，氮化鎵的功率范圍上限約為7-10kW，這還不足以滿足電動(dòng)汽車逆變器市場(chǎng)（潛在市場(chǎng)規(guī)模最大的單一功率IC應(yīng)用）的需求，但只需再提高10倍，電動(dòng)汽車的功率水平就能達(dá)到幾百千瓦，而在高科技領(lǐng)域達(dá)到10倍的功率水平只需幾年時(shí)間。
橫向氮化鎵也能做2200V
從器件結(jié)構(gòu)看，垂直GaN天然更容易向高壓擴(kuò)展。橫向GaN需要通過拉長(zhǎng)柵漏間距來分散更高的電場(chǎng)，耐壓提高往往伴隨芯片面積和導(dǎo)通電阻上升。垂直GaN則可以利用芯片厚度方向的漂移區(qū)承擔(dān)高壓，使耐壓主要沿縱向擴(kuò)展，而電流能力主要通過芯片面積擴(kuò)展。因此隨著電壓進(jìn)入千伏級(jí)，垂直結(jié)構(gòu)通常被認(rèn)為更適合繼續(xù)向高壓、高功率發(fā)展。
盡管PI此前收購了垂直氮化鎵公司Odyssey，但截至目前，PI仍然采用橫向GaN，并不斷突破耐壓極限。Jason表示，PI通過專用的藍(lán)寶石襯底，本身具有很高的絕緣性，在橫向高壓器件中，襯底不參與導(dǎo)電，可以降低經(jīng)由襯底形成高壓漏電路徑的可能性，為器件進(jìn)一步提高阻斷電壓創(chuàng)造條件。相比于更流行的GaN-on-Si技術(shù)中，超過900V以后需要越來越厚的緩沖層，工藝難度和成本將顯著增加。
這種思路也和PI特殊的制造模式有關(guān)。PI并不擁有完整的晶圓制造體系，但也不是簡(jiǎn)單地從Foundry購買一套標(biāo)準(zhǔn)工藝生產(chǎn)產(chǎn)品。PI的大量功率器件依賴自有器件結(jié)構(gòu)、自定義工藝Recipe和長(zhǎng)期積累的工藝Know-how，晶圓制造雖然交給合作伙伴，但實(shí)際運(yùn)行的是針對(duì)PI產(chǎn)品開發(fā)的專用工藝，部分關(guān)鍵生產(chǎn)設(shè)備甚至也由PI掌握。
某種程度上，這是一個(gè)“Fabless，卻深度控制器件和工藝”的模式。如果僅僅是通用產(chǎn)品，PI無法與IDM們競(jìng)爭(zhēng)，也正因此PI一直圍繞高集成方案進(jìn)行開發(fā)，而對(duì)于GaN功率器件而言，更高耐壓的產(chǎn)品也是其差異化的專注點(diǎn)。
老生常談的D-Mode與E-Mode
Jason介紹道，PI采用了共源共柵（Cascode）D-mode架構(gòu)，極大提升了穩(wěn)定性。
談到D-Mode與E-Mode之爭(zhēng)，還是要回歸到GaN HEMT本身。AlGaN和GaN形成異質(zhì)結(jié)以后，由于材料極化效應(yīng)，可以在界面形成高密度2DEG。這是一條電子遷移率很高的導(dǎo)電溝道，也是GaN能夠?qū)崿F(xiàn)低電阻、高速開關(guān)的基礎(chǔ)。
但在最原始的GaN HEMT中，這條2DEG在沒有柵極驅(qū)動(dòng)的情況下已經(jīng)存在。此時(shí)VGS=0，意味著器件已經(jīng)導(dǎo)通，這就是Depletion Mode（耗盡型器件），屬于常開型器件。
然而功率電子系統(tǒng)的特殊性，就在于功率管需要默認(rèn)處于關(guān)閉狀態(tài)，在驅(qū)動(dòng)器沒有工作、系統(tǒng)掉電或者發(fā)生故障。因此，產(chǎn)業(yè)界最終走出了兩條不同的常關(guān)路線。
第一種是較為常見的E-mode，通過額外的p-GaN Gate改變Gate下方的2DEG，在VGS=0時(shí)把溝道耗盡，此時(shí)需要施加正Gate電壓以后才重新導(dǎo)通。
另外一種則是通過級(jí)聯(lián)（共源共柵）的控制方式，通過增加MOSFET，使D-mode實(shí)現(xiàn)了常關(guān)。兩者都是目前較為成熟的技術(shù)路線，且都有長(zhǎng)期的發(fā)展路線圖規(guī)劃。
PI的Cascode架構(gòu)
E-mode與D-mode Cascode代表了兩種不同的優(yōu)化方向。E-mode減少了串聯(lián)硅器件，更適合追求極低寄生、高頻和單片集成；D-mode Cascode則用一顆低壓硅MOSFET換取更寬松的驅(qū)動(dòng)窗口、更低的第三象限壓降和更接近傳統(tǒng)MOSFET的工程使用體驗(yàn)。隨著GaN向1700V、2200V這樣的高壓區(qū)域擴(kuò)展，后者的價(jià)值開始被進(jìn)一步放大。
第三象限也是Jason著重講解的一點(diǎn)。
對(duì)于半橋應(yīng)用來說，通常有上管和下管。如果采用 Cascode GaN，那么上管和下管都可以使用 Cascode 器件。半橋后面一般連接電感，而電感電流不能發(fā)生突變，因此當(dāng)其中一個(gè)開關(guān)管關(guān)斷之后，原來的電流仍然需要繼續(xù)流動(dòng)，這就是續(xù)流。
對(duì)于傳統(tǒng)功率器件或者D-Mode的Cascode結(jié)構(gòu)來說，續(xù)流過程中可以通過器件中的體二極管建立電流通路。體二極管導(dǎo)通時(shí)，損耗主要取決于它的正向壓降。例如，假設(shè)二極管正向壓降為 0.7V，電流為 1A，那么此時(shí)瞬時(shí)損耗就是 0.7W。
但E-Mode GaN 的情況不同。目前市場(chǎng)上的橫向 GaN 大多采用增強(qiáng)型結(jié)構(gòu)，其第三象限導(dǎo)通特性會(huì)受到柵極關(guān)斷電壓的影響。例如，假設(shè)器件在 VGS 為 0V 時(shí)，反向?qū)▔航导s為 2V；如果采用 -3V 關(guān)斷，那么反向?qū)▔航悼赡苌仙郊s 5V。也就是說，E-Mode GaN 的關(guān)斷驅(qū)動(dòng)電壓會(huì)影響其反向?qū)▔航?。假設(shè)此時(shí)電流為 1A，5V 的反向?qū)▔航稻蛯?duì)應(yīng)約 5W 的瞬時(shí)損耗。
這種情況主要發(fā)生在半橋的死區(qū)時(shí)間內(nèi)。所謂死區(qū)時(shí)間，就是上管和下管都處于關(guān)斷狀態(tài)的一小段時(shí)間。雖然兩個(gè)開關(guān)管都沒有打開，但處于續(xù)流狀態(tài)，如果這一階段的反向?qū)▔航递^高，就會(huì)帶來較大的損耗，死區(qū)時(shí)間的長(zhǎng)短也會(huì)影響半橋的整體損耗。
所謂“第三象限”，是根據(jù)器件的電壓和電流方向來定義的。正常導(dǎo)通時(shí)，漏源電壓和漏極電流都為正，器件工作在第一象限；而在續(xù)流過程中，電流方向發(fā)生反轉(zhuǎn)，從源極流向漏極，同時(shí)漏源電壓也變?yōu)樨?fù)值，因此電壓和電流都位于負(fù)方向，對(duì)應(yīng)器件輸出特性中的第三象限。
因此，第三象限工作本質(zhì)上就是功率器件在反向電流條件下的工作狀態(tài)。在半橋中，它主要出現(xiàn)在死區(qū)時(shí)間內(nèi)，持續(xù)時(shí)間雖然很短，但由于不同器件的反向?qū)▔航挡煌?，仍然可能帶來明顯的損耗差異。
對(duì)于E-Mode GaN，是否采用負(fù)壓關(guān)斷需要進(jìn)行仔細(xì)權(quán)衡。如果不采用負(fù)壓關(guān)斷，第三象限的反向?qū)▔航悼梢越档停P(guān)斷裕量也會(huì)減小，在高速開關(guān)過程中可能增加誤導(dǎo)通風(fēng)險(xiǎn)。而采用負(fù)壓關(guān)斷可以提高關(guān)斷可靠性，但同時(shí)會(huì)提高第三象限的反向?qū)▔航岛退绤^(qū)損耗。
這也是 Cascode GaN 與目前市場(chǎng)上常見增強(qiáng)型 GaN 在半橋應(yīng)用中的一個(gè)重要區(qū)別。
總結(jié)
從750V、900V、1250V、1700V一路走到2200V，PI始終挑戰(zhàn)高壓GaN的無人區(qū)，把產(chǎn)品一步步向SiC逼近。
值得關(guān)注的是，PI實(shí)現(xiàn)這條高壓路線并沒有轉(zhuǎn)向垂直GaN，而是繼續(xù)堅(jiān)持橫向GaN、藍(lán)寶石襯底和D-mode Cascode的技術(shù)組合。
如今，GaN擁有了更多與SiC競(jìng)爭(zhēng)的入場(chǎng)券，而PI的目標(biāo)也非常明確，并不只是和SiC打價(jià)格戰(zhàn)，而是通過更多的高功率密度、小尺寸等差異化特性，與SiC展開系統(tǒng)級(jí)競(jìng)爭(zhēng)。
2200V技術(shù)發(fā)布只是這場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的起點(diǎn)，未來PI值得關(guān)注的不只是電壓等級(jí)記錄的刷新，而是產(chǎn)品落地后的市場(chǎng)表現(xiàn)。
