基于GaN的高功率密度快充正快速成長(zhǎng)

程文濤

1 看好哪類GaN功率器件的市場(chǎng)？

2020—2021年硅基氮化鎵（GaN）開(kāi)關(guān)器件的商用化進(jìn)程和5年前（編者注：指2016年）市場(chǎng)的普遍看法已經(jīng)發(fā)生了很大的變化，其中有目共睹的是基于氮化鎵件的高功率密度快充的快速成長(zhǎng)。這說(shuō)明影響新材料市場(chǎng)發(fā)展的，技術(shù)只是眾多因素當(dāng)中的1個(gè)。我個(gè)人看好的未來(lái)5年（編者注：指2022—2027年）的氮化鎵應(yīng)用，包括：快充、服務(wù)器/通信電源、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、工業(yè)電源、音響、無(wú)線充電、激光雷達(dá)等，其中快充會(huì)繼續(xù)引領(lǐng)氮化鎵開(kāi)關(guān)器件的市場(chǎng)成長(zhǎng)。

相對(duì)于硅器件和碳化硅器件，氮化鎵的主要優(yōu)勢(shì)是其非常小的輸入輸出寄生參數(shù)，帶來(lái)應(yīng)用上的好處包括極低的開(kāi)關(guān)損耗，允許超高的開(kāi)關(guān)頻率，更高的功率密度，等等。

2 如何讓GaN應(yīng)用盡快落地？

作為功率開(kāi)關(guān)器件的硅基氮化鎵在商用化的進(jìn)程中，除了性能和價(jià)格，最引起關(guān)注的話題是長(zhǎng)期可靠性。目前，氮化鎵開(kāi)關(guān)器件絕大多數(shù)都是在硅襯底上生長(zhǎng)氮化鎵，并以二維電子氣作為溝道的GaN HEMT（高電子遷移率晶體管）。從2010年IR（編者注：2014年已被英飛凌公司收購(gòu)）發(fā)布的業(yè)界第1款硅基氮化鎵開(kāi)關(guān)器件到現(xiàn)在，整個(gè)業(yè)界對(duì)硅基氮化鎵的研究可以說(shuō)已經(jīng)很深入了，但真正大規(guī)模的應(yīng)用還是最近幾年的事。相對(duì)而言，硅乃至碳化硅在市場(chǎng)上運(yùn)行的時(shí)間要長(zhǎng)得多，現(xiàn)存器件數(shù)量也大得多，因此氮化鎵相對(duì)其他兩種材料而言，可供分析的失效案例要少很多。這也是消費(fèi)類的快充成為氮化鎵快速成長(zhǎng)引擎的1個(gè)原因。另外，因?yàn)楣杌壋〉募纳鷧?shù)，使其為用戶帶來(lái)極低開(kāi)關(guān)損耗的優(yōu)勢(shì)之外，也大大提高了驅(qū)動(dòng)此類器件的難度。

英飛凌很早就將著眼點(diǎn)放在硅基氮化鎵可靠性的研究實(shí)踐上，并在JEDEC（joint electron device engineering council，國(guó)際固態(tài)技術(shù)協(xié)會(huì)）標(biāo)準(zhǔn)之上增加了多重措施，確保我們生產(chǎn)的硅基氮化鎵的長(zhǎng)期可靠性遠(yuǎn)高于市場(chǎng)平均水平。另外，硅基氮化鎵的長(zhǎng)期可靠性與器件在其應(yīng)用場(chǎng)景中的電壓擺幅、開(kāi)關(guān)頻率、占空比、溫度等都高度相關(guān)。因此我們建議用戶在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中與硅基氮化鎵供應(yīng)商的技術(shù)支持人員就具體應(yīng)用場(chǎng)景作深度交流，以對(duì)長(zhǎng)期可靠性做出評(píng)估。在器件驅(qū)動(dòng)方面，英飛凌開(kāi)發(fā)了專用的氮化鎵驅(qū)動(dòng)器，減輕了用戶設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路時(shí)的壓力。

3 英飛凌的發(fā)展規(guī)劃

硅基氮化鎵經(jīng)過(guò)數(shù)年的規(guī)?；逃茫呀?jīng)證明其突出的性能提升，以及誘人的市場(chǎng)前景。未來(lái)幾年，該市場(chǎng)將會(huì)保持兩位數(shù)的年復(fù)合增長(zhǎng)率。與之相呼應(yīng)，英飛凌為高功率工業(yè)類應(yīng)用及低功率消費(fèi)類應(yīng)用都已經(jīng)量產(chǎn)或規(guī)劃了分立產(chǎn)品及集成驅(qū)動(dòng)器的產(chǎn)品。此外，英飛凌2021年9月和松下公司簽署協(xié)議，共同開(kāi)發(fā)基于8英寸（注：1英寸=2.54 cm）晶圓的650 V第二代氮化鎵技術(shù)。這些器件將更加易用，并提供更高的性價(jià)比，主要針對(duì)高功率和低功率SMPS（switching mode power supply，開(kāi)關(guān)電源）應(yīng)用、可再生能源、電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用等。

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