【導讀】在功率器件選擇過程中，以氮化鎵、碳化硅為代表的寬禁帶半導體越來越受到了人們的重視，在效率、尺寸以及耐壓等方面都相較于硅有了顯著提升，但是如何定量分析這三類產品的不同？Power Intergrations（PI）資深培訓經理Jason Yan日前結合公司新推出的1250V氮化鎵(GaN)產品，詳細解釋了三類產品的優(yōu)劣，以及PI對于三種產品未來的判斷，同時還介紹了PI氮化鎵產品的特點及優(yōu)勢。
在功率器件選擇過程中，以氮化鎵、碳化硅為代表的寬禁帶半導體越來越受到了人們的重視，在效率、尺寸以及耐壓等方面都相較于硅有了顯著提升，但是如何定量分析這三類產品的不同？Power Intergrations（PI）資深培訓經理Jason Yan日前結合公司新推出的1250V氮化鎵(GaN)產品，詳細解釋了三類產品的優(yōu)劣，以及PI對于三種產品未來的判斷，同時還介紹了PI氮化鎵產品的特點及優(yōu)勢。
目前隨著消費類氮化鎵供應商越來越多，PI正在努力擴展氮化鎵在工業(yè)和汽車中的應用，盡量避免陷入內卷的紅海中。實際上，目前PI已有超過一半以上氮化鎵應用不再是手機適配器。
可同時提供三類產品的電源公司
“目前PI是為數(shù)不多同時提供三類產品的公司，并且有著豐富的產品組合?！盝ason在PI推出全球額定耐壓最高的單管氮化鎵電源IC時說道，該IC采用了1250V的PowiGaN開關技術，也許是目前市面上唯一商用的1250V氮化鎵產品，而這正是PI不斷拓展氮化鎵應用邊際的有力證明。
結合此前PI所推出的不同種InnoSwitch3產品，目前PI已經通過在硅、氮化鎵以及碳化硅上的廣泛布局，滿足了高中低母線電壓下的應用。
更高耐壓意味著什么？
隨著母線電壓越來越高，更高的耐壓產品也在市場中的需求越來越高，但也會給器件帶來更高要求，尤其是其耐壓性要嚴苛得多。
首先，電壓變化除了母線電壓，還有變壓器的反射電壓以及漏感尖峰，三者相加的電壓會遠高于母線電壓，因此需要有更多的開關裕量。
另外，在某些工業(yè)類高壓應用中，又或者是電網不穩(wěn)定區(qū)域，發(fā)電機啟動瞬間或雷擊等會造成浪涌，也會這對后面的電源耐壓是一個巨大挑戰(zhàn)。
相對于硅，氮化鎵具有更高的耐壓，比如同樣是750V，硅產品在超過其耐壓范圍時會直接損壞，而氮化鎵超過工作電壓并不會永久失效，而只是增加RDSon，隨著電壓回復到正常值，氮化鎵還會恢復，這種特性也使其可靠性更高。對于PI的氮化鎵來說，750V的產品在1400V才會出現(xiàn)永久失效，而對于1250V的產品，則至少可以到2100V。
如圖所示，1250VPowiGaN具有更多的裕量以確保系統(tǒng)更加安全可靠。
效率是電源轉換的關鍵
電源轉換過程中，效率則是所有相關工程師都需要關注的，更高的效率意味著更少的散熱，更小的尺寸，更輕的重量以及更高的可靠性等。同時，更高的效率也意味著可以更加節(jié)能，更加綠色，因此各國都在效率方面制定了越來越嚴格的規(guī)定。
Jason以家電為例，高效率提高除了可以提高家電的能效標準，增加產品競爭力之外，通過減少體積，甚至還可以優(yōu)化很多安裝，運輸方式，這主要是因為巨大的散熱系統(tǒng)會導致系統(tǒng)更加不可靠。
同時，待機輕載或空載模式中的功耗同樣值得注意，這是因為越來越多的家電在智能化、網聯(lián)化的要求下，功能越來越多，這無形當中增加了待機功耗，因此如今各國也正在提高輕載下的效率要求。
淺析功率變換過程中的損耗
Jason表示，功率變換過程中功率管的損耗來源主要是開關損耗與導通損耗，這兩個損耗有時候是需要權衡的。
導通損耗比較容易理解，即功率管在導通過程中等效電阻RDSon所引起的損耗。而開關損耗主要由Coss來決定。開關損耗主要是因為功率管的寄生電容在電壓變化過程中所帶來的能量釋放。對于高壓應用而言，硅MOSFET會因為耐壓的升高而導致RDSon增加，同時電壓越高寄生電荷也就越多，開關過程中的功耗也就越高。一般意義上，若要降低RDSon，可以考慮增大晶圓尺寸，但這會帶來Coss的增加，因此如何平衡RDSon和Coss變得非常重要。
氮化鎵的Coss和RDSon都很低，因此效率遠高于硅。
幾張實測效率圖看三者區(qū)別
PI進行了一套完整的產品測試，以充分驗證硅、氮化鎵以及碳化硅的轉換效率。Jason強調PI有完整的三種功率產品，因此可以實現(xiàn)最客觀的對比。
在看測試圖之前，我們先科普兩個事實。首先是高壓情況下，效率會變低，這主要是由于在高壓狀態(tài)時，開關損耗會急劇增加。簡單的理解就是試想電壓越高導通時間越慢，電壓和電流交疊部分越多。
另外，在低壓狀態(tài)下，電流越大，其導通損耗占比也越大，同時溫升更高，因此常用的溫升測試都是在低壓狀態(tài)進行。
PI提供了兩個參考板，一塊是低壓輸入，一塊是高壓輸入，因為PI所有InnoSwitch-3產品引腳兼容，因此只需更換主芯片，這樣可以客觀評價出芯片的影響。
如圖所示，綠色曲線為最新的60W 1250V GaN。
我們可以明顯看到1250V的GaN相比其他在任何電壓時都具有更高的效率，在低壓時，提升了至少1%的效率，這也意味著可減少20%損耗，從而實現(xiàn)更好的溫升表現(xiàn)。
同時我們也可以看到，在高壓應用時，氮化鎵與碳化硅的效率則較為接近。
實測的溫升表現(xiàn)也證明，相比于硅，第三代半導體可以實現(xiàn)6-10度的降低。
到底應該選哪種器件？答案已經在圖中了。
氮化鎵代表著未來
在某些750伏DC的應用當中，氮化鎵已經可以取代碳化硅了。PI CEO Balu Balakrishnan此前就在公開場合說過，PI實際上投入過數(shù)千萬美元進行碳化硅的研究，但最終還是轉向了氮化鎵。
Jason解釋道，氮化鎵可以使用硅基工藝，同時晶圓尺寸更大，相比而言碳化硅在制備，切割等過程較為復雜，因此氮化鎵極具成本優(yōu)勢，也代表了功率系統(tǒng)的未來。
如果再回頭看硅，氮化鎵在功率密度上遙遙領先于硅，因此越來越多要求高功率密度的場景開始接受氮化鎵，目前PI已經有70多款產品采用了氮化鎵的技術。實際上，此前氮化鎵一般認為更適用于75W以上功率，但目前“在30W以上應用中，就足以體現(xiàn)出氮化鎵的優(yōu)勢?！盝ason說道。
“如果氮化鎵可以應用于200kW以下的功率，那么將很容易取代碳化硅和IGBT?！?/p>
另外，PI通過集成不同種類的功率元件，實現(xiàn)了為客戶的量身定制?！安⒉皇撬械膽枚夹枰捎玫?，要具體根據(jù)開關頻率，電流等來確定，有些應用無法體現(xiàn)出氮化鎵的優(yōu)勢。這不止體現(xiàn)在成本上，還體現(xiàn)在其性能表現(xiàn)上。”Jason說道。
比如在LC電路中，由于負載是電感屬性，因此PI也專門為此類應用推出了FredFet快速反向恢復二極管。
PI PowiGaN的優(yōu)勢
作為業(yè)界市占率第一的氮化鎵公司，PI的氮化鎵具有著諸多優(yōu)勢。
第一個優(yōu)勢是高度整合，在單芯片中集成了包括開關、保護、反饋、同步整流以及磁隔離等全部組件，用戶只需要設計外圍電路即可，這降低了產品的開發(fā)門檻，減少了產品尺寸，同時也提高了可靠性。另外，這種高度整合相對于分立而言，也會大大降低供應鏈風險及管理成本，避免因部分器件缺貨所帶來的不確定性。
第二個優(yōu)勢則是PowiGaN的獨特架構，采用了Cascode（共源共柵）架構，通過MOSFET與氮化鎵并聯(lián)的方式，實現(xiàn)了器件的常關。而一些廠商則通過建立柵極控制勢壘，即所謂的E-Mode（增強型）來實現(xiàn)功率管常關。
Jason解釋道，對于E-Mode而言由于其內部進行了摻雜，所以可靠性可能會降低，制程難度也較大，另外其驅動電壓裕量較小，并且還需要負壓防止出現(xiàn)誤導通，因此控制電路實現(xiàn)起來較為復雜。
Cascode技術相比于E-Mode的優(yōu)勢
而Cascode模式下，通過硅MOSFET進行控制，無需考慮負壓，且耐壓度更高，因此整體電路會變得簡單，氮化鎵的工藝也相對簡單，具有更加可靠且抗干擾能力等優(yōu)勢，RDSon也更低?！癈ascode由于有兩個功率管，所以會相應的增加成本、面積與功耗，但PI的MOSFET具有電流檢測功能，無需額外的電流檢測單元，所以總體損失還是可控?！盝ason說道。
Jason另外強調道，盡管采用了代工模式，但PI擁有自己的工藝流程，包括氮化鎵的相關工藝，所以成本和可靠性可以保證。
在氮化鎵可靠性上，Jason還講了個有意思的故事。PI在數(shù)年前推出PowiGaN時，并沒有宣稱采用了氮化鎵技術，畢竟彼時還沒有太多敢于吃螃蟹的客戶。隨著產品在業(yè)界取得了好評之后，再加上市場上其他對手開始出現(xiàn)氮化鎵，這時PI才公開了其氮化鎵技術，在一定程度上打消了客戶的擔憂。正如PI CEO所說：“我們今天研發(fā)的技術很多是客戶五年后才會用到的。”
“PI產品最大的價值點不只是價格和性能，產品功能只是一個基本要求，能不能通過PI幫助客戶建立品牌優(yōu)勢，這才是實力的體現(xiàn)?！盝ason總結道。
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