過(guò)去一些年，功率電子行業(yè)的工程師一直處于一個(gè)非常尷尬的境地，一方面他們無(wú)法在現(xiàn)有空間內(nèi)繼續(xù)提高功率，但同時(shí)又不希望增大設(shè)備所需的空間。如果不能增大尺寸，那么只能提高功率密度，而這又需要依賴(lài)半導(dǎo)體技術(shù)，乃至半導(dǎo)體材料的創(chuàng)新。寬帶隙半導(dǎo)體，尤其是基于氮化鎵（GaN）的半導(dǎo)體技術(shù)的出現(xiàn)，為功率系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員提供了針對(duì)不同應(yīng)用需求的更多選擇。

市場(chǎng)趨勢(shì)使然

60多年以來(lái)，硅一直都是電氣產(chǎn)品中的基礎(chǔ)材料，廣泛用于交流電與直流轉(zhuǎn)換，并調(diào)整直流電壓來(lái)滿(mǎn)足從手機(jī)到工業(yè)機(jī)器人等眾多應(yīng)用的需求。雖然元器件一直在持續(xù)改進(jìn)和優(yōu)化，但物理學(xué)意義上的極限卻是橫亙?cè)诠璨牧厦媲暗囊粭l無(wú)法逾越的鴻溝。

從“磚頭”手機(jī)到笨重的電視機(jī)，電源模塊曾經(jīng)在電子電器產(chǎn)品中占據(jù)相當(dāng)大的空間。硅電源技術(shù)領(lǐng)域的創(chuàng)新曾一度大幅縮減了這些應(yīng)用的尺寸，但卻很難更進(jìn)一步。在現(xiàn)有尺寸規(guī)格下，硅材料無(wú)法在所需的頻率下輸出更高的功率。而對(duì)于即將推出的5G無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，以及未來(lái)的機(jī)器人、可再生能源直至數(shù)據(jù)中心技術(shù)，功率都是一個(gè)至關(guān)重要的因素。此外，更嚴(yán)格的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)也在推動(dòng)電子產(chǎn)品向更高能效和更緊湊的方向發(fā)展，對(duì)功率半導(dǎo)體提出了更高功率密度的性能要求。

硅達(dá)到其性能極限的窘境，為寬禁帶產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)開(kāi)啟了機(jī)會(huì)。寬禁帶產(chǎn)品有出色的性能優(yōu)勢(shì)，可以利用高頻實(shí)現(xiàn)高能效、高功率密度。寬禁帶超級(jí)結(jié)（SJ）產(chǎn)品可以提高工作頻率，使用的范圍更廣。碳化硅（SiC）具有高頻、高功率能力，但頻率范圍比GaN低些，GaN的頻率范圍最高，功率卻相對(duì)低些。下圖可以看出各類(lèi)功率器件的頻率、輸出功率范圍及在汽車(chē)中的應(yīng)用。

GaN的時(shí)代已經(jīng)到來(lái)

GaN可處理更高頻率和更高的功率，與硅器件相比，它可以在尺寸和能耗減半的條件下輸送同等的功率，因此提高了功率密度，有助于設(shè)計(jì)人員在不增大設(shè)計(jì)空間的同時(shí)滿(mǎn)足更高的功率要求。

更高的頻率交換意味著GaN可以一次轉(zhuǎn)換更大范圍的功率，減少?gòu)?fù)雜設(shè)計(jì)中的功率轉(zhuǎn)換。由于每次功率轉(zhuǎn)換都會(huì)產(chǎn)生新的能耗，這對(duì)于很多高壓應(yīng)用是一個(gè)明顯的優(yōu)勢(shì)。基于GaN的全新電源和轉(zhuǎn)換系統(tǒng)功率損耗更低，產(chǎn)生的熱量也更少。由于高溫會(huì)提高運(yùn)行成本、干擾網(wǎng)絡(luò)信號(hào)并誘發(fā)設(shè)備故障，這些特性便顯得尤為重要。

GaN技術(shù)的研發(fā)正逐步走向成熟，從研究轉(zhuǎn)向批量生產(chǎn)是一個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程，其中包括對(duì)電子工程師的教育。今天，許多技術(shù)壁壘已經(jīng)消除。為了提高產(chǎn)量和降低成本，制造工藝已逐漸優(yōu)化，針對(duì)該技術(shù)的特殊的質(zhì)量流程已經(jīng)實(shí)施，并在2017年11月JEDEC組織成立了一個(gè)新的委員會(huì)，為寬禁帶半導(dǎo)體制定了標(biāo)準(zhǔn)（JC- 70），這預(yù)示著批量生產(chǎn)即將開(kāi)始。

新產(chǎn)品如雨后春筍

市場(chǎng)調(diào)研機(jī)構(gòu)HIS預(yù)計(jì)，從現(xiàn)在年到2027年SiC和GaN應(yīng)用將激增，包括電動(dòng)/混動(dòng)汽車(chē)及充電樁基礎(chǔ)設(shè)施、太陽(yáng)能逆變器、電源、工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)、不間斷電源（UPS）、軍事/航空等應(yīng)用領(lǐng)域，其中電動(dòng)/混動(dòng)汽車(chē)、太陽(yáng)能逆變器、電源將是主要的應(yīng)用市場(chǎng)。

形形色色的GaN芯片及模塊

最近短短幾個(gè)月，許多廠(chǎng)商都發(fā)布了新的產(chǎn)品。宜普電源轉(zhuǎn)換公司（EPC）推出了100 V的EPC2051氮化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其占板面積只是1.1平方毫米、最大導(dǎo)通阻抗為25 m?，脈沖輸出電流高達(dá)37 A，支持高效功率轉(zhuǎn)換。此外，低成本的EPC2051與等效硅MOSFET的成本可比。這種器件可用于自動(dòng)駕駛汽車(chē)的激光雷達(dá)（LiDAR），快速獲得物體檢測(cè)和距離測(cè)量方面的環(huán)境信息。得益于其高性能、小尺寸及低成本優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用涵蓋運(yùn)算及通信系統(tǒng)、激光雷達(dá)、LED照明及D類(lèi)音頻放大器等應(yīng)用的48 V輸入電壓的電源轉(zhuǎn)換器。

英飛凌的氮化鎵解決方案CoolGaN? 600 V增強(qiáng)型HEMT和氮化鎵開(kāi)關(guān)管專(zhuān)用驅(qū)動(dòng)IC（GaN EiceDRIVER IC）也已投入量產(chǎn)。它們具備更高功率密度，可實(shí)現(xiàn)更加小巧、輕便的設(shè)計(jì)，從而降低系統(tǒng)總成本和運(yùn)行成本，減少資本支出。氮化鎵柵極驅(qū)動(dòng)IC可實(shí)現(xiàn)恒定的GaN HEMT開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換速率，幾乎不受工作循環(huán)或開(kāi)關(guān)速度影響。這可確保運(yùn)行穩(wěn)健性和很高能效，大大縮短研發(fā)周期。英飛凌的產(chǎn)品支持高頻應(yīng)用，如企業(yè)級(jí)超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心服務(wù)器、通信整流器、適配器、充電器、SMPS和無(wú)線(xiàn)充電設(shè)施等。

GaN Systems在中國(guó)的PEAC電力電子會(huì)議上推出了新產(chǎn)品并提供GaN設(shè)計(jì)專(zhuān)長(zhǎng)。新的GS-065低電流（4A至11A）GaN Systems產(chǎn)品線(xiàn)，無(wú)需使用分立或集成驅(qū)動(dòng)器，使之易于實(shí)現(xiàn)并降低系統(tǒng)成本。這種1kW以下的電源解決方案非常適合許多應(yīng)用，包括游戲和工作站筆記本電腦AC適配器、電視電源、LED照明和無(wú)線(xiàn)電源系統(tǒng)。新的50W無(wú)線(xiàn)功率放大器擴(kuò)展了適用于無(wú)線(xiàn)功率傳輸和充電應(yīng)用的解決方案，包括100 W功率放大器和300 W功率放大器產(chǎn)品，目標(biāo)是消費(fèi)、工業(yè)和汽車(chē)市場(chǎng)的低功率應(yīng)用，如手持電子產(chǎn)品、電動(dòng)工具、玩具、家用、機(jī)器人、無(wú)人機(jī)和滑板車(chē)。

意法半導(dǎo)體和Leti合作開(kāi)發(fā)了硅基氮化鎵功率開(kāi)關(guān)器件制造技術(shù)。該技術(shù)將能夠滿(mǎn)足高能效、高功率的應(yīng)用需求，包括混動(dòng)和電動(dòng)汽車(chē)車(chē)載充電器、無(wú)線(xiàn)充電和服務(wù)器。該項(xiàng)目的重點(diǎn)是開(kāi)發(fā)和檢測(cè)在200mm晶片上制造的先進(jìn)的硅基氮化鎵功率二極管和晶體管架構(gòu)。此外，意法半導(dǎo)體還宣布與MACOM合作開(kāi)發(fā)射頻硅基氮化鎵技術(shù)，用于MACOM的各種射頻產(chǎn)品和意法半導(dǎo)體為非電信市場(chǎng)研制的產(chǎn)品。

德州儀器（TI）近日推出支持高達(dá)10kW應(yīng)用的新型即用型600 V氮化鎵50mΩ和70mΩ功率級(jí)產(chǎn)品組合。與AC/DC電源、機(jī)器人、可再生能源、電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施、電信和個(gè)人電子應(yīng)用中的硅場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）相比，LMG341x系列使設(shè)計(jì)人員能夠創(chuàng)建更小、更高效和更高性能的設(shè)計(jì)。其GaN FET器件通過(guò)集成獨(dú)特的功能和保護(hù)特性，來(lái)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，達(dá)到更高的系統(tǒng)可靠性和優(yōu)化高壓電源的性能，為傳統(tǒng)級(jí)聯(lián)和獨(dú)立的GaN FET提供了智能替代解決方案。通過(guò)集成的<100ns電流限制和過(guò)溫檢測(cè)，器件可防止意外的直通事件并防止熱失控，同時(shí)系統(tǒng)接口信號(hào)可實(shí)現(xiàn)自我監(jiān)控功能。

相比之下，雖然我國(guó)早在2000年便開(kāi)始了以氮化鎵和碳化硅為代表的寬禁帶半導(dǎo)體電力電子器件的研發(fā)。但我國(guó)氮化鎵核心材料、器件原始創(chuàng)新能力仍相對(duì)薄弱。當(dāng)然，目前國(guó)內(nèi)已有少數(shù)公司在氮化鎵研究、制造方面取得了一些成果，如蘇州納維科技制造出了氮化鎵襯底晶片，江蘇能華微電子建成了中國(guó)首條8英寸氮化鎵芯片生產(chǎn)線(xiàn)。我們希望看到，中國(guó)建立起氮化鎵器件研發(fā)和生產(chǎn)的完整產(chǎn)業(yè)鏈。

未來(lái)應(yīng)用愿景

今天，尺寸減半、功率翻番的氮化鎵技術(shù)給機(jī)器人、可再生能源和電信等領(lǐng)域帶來(lái)了革新。經(jīng)過(guò)多年的研究、實(shí)際驗(yàn)證和可靠性測(cè)試，GaN已開(kāi)始成為解決功率密度問(wèn)題的最佳技術(shù)。有公司在高于硅材料的工作溫度和電壓下，對(duì)GaN器件進(jìn)行了2000萬(wàn)小時(shí)的加速可靠性測(cè)試，確信GaN工藝、技術(shù)和器件完全合格，而且已經(jīng)具備批量化生產(chǎn)的條件。

我們看到，在一些功率密度為優(yōu)先特性的關(guān)鍵行業(yè)，GaN已經(jīng)開(kāi)始替代硅材料。批量化生產(chǎn)GaN功率模塊的最佳適用行業(yè)包括：制造：利用GaN技術(shù)可更簡(jiǎn)單地將驅(qū)動(dòng)和功率轉(zhuǎn)換組件集成至機(jī)器人中，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)、減少繁冗的布線(xiàn)并降低運(yùn)行成本；數(shù)據(jù)中心：有效地將48V電壓一次轉(zhuǎn)化為大多數(shù)計(jì)算機(jī)硬件所要求的低電壓，提升數(shù)據(jù)中心的功率效率，大幅降低電源配送損耗并將轉(zhuǎn)換損耗減少30%。；無(wú)線(xiàn)服務(wù)：大范圍的5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋要求運(yùn)營(yíng)商部署更高功率和運(yùn)行頻率的設(shè)備，GaN的功率密度優(yōu)勢(shì)可以滿(mǎn)足他們的需求；可再生能源：GaN能夠以90%的效率轉(zhuǎn)化10千瓦的可再生能源，這對(duì)于電力企業(yè)來(lái)說(shuō)是一個(gè)非常出色的性能基準(zhǔn)。

時(shí)至今日，GaN的進(jìn)化仍遠(yuǎn)未結(jié)束。未來(lái)，GaN將繼續(xù)擴(kuò)展至消費(fèi)者電子產(chǎn)品等領(lǐng)域，打造更薄的平板顯示器，并減少可充電設(shè)備的能源浪費(fèi)。可以這樣講，如果你只是需要3%或4%的能效提升，可以利用其它很多方法實(shí)現(xiàn)，但是，如果你希望功率密度翻番，那么GaN則是你的優(yōu)先選擇。