【導讀】在功率器件選擇過(guò)程中，以氮化鎵、碳化硅為代表的寬禁帶半導體越來(lái)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(zhù)提升，但是如何定量分析這三類(lèi)產(chǎn)品的不同？Power Intergrations（PI）資深培訓經(jīng)理Jason Yan日前結合公司新推出的1250V氮化鎵(GaN)產(chǎn)品，詳細解釋了三類(lèi)產(chǎn)品的優(yōu)劣，以及PI對于三種產(chǎn)品未來(lái)的判斷，同時(shí)還介紹了PI氮化鎵產(chǎn)品的特點(diǎn)及優(yōu)勢。
在功率器件選擇過(guò)程中，以氮化鎵、碳化硅為代表的寬禁帶半導體越來(lái)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(zhù)提升，但是如何定量分析這三類(lèi)產(chǎn)品的不同？Power Intergrations（PI）資深培訓經(jīng)理Jason Yan日前結合公司新推出的1250V氮化鎵(GaN)產(chǎn)品，詳細解釋了三類(lèi)產(chǎn)品的優(yōu)劣，以及PI對于三種產(chǎn)品未來(lái)的判斷，同時(shí)還介紹了PI氮化鎵產(chǎn)品的特點(diǎn)及優(yōu)勢。
目前隨著(zhù)消費類(lèi)氮化鎵供應商越來(lái)越多，PI正在努力擴展氮化鎵在工業(yè)和汽車(chē)中的應用，盡量避免陷入內卷的紅海中。實(shí)際上，目前PI已有超過(guò)一半以上氮化鎵應用不再是手機適配器。
可同時(shí)提供三類(lèi)產(chǎn)品的電源公司
“目前PI是為數不多同時(shí)提供三類(lèi)產(chǎn)品的公司，并且有著(zhù)豐富的產(chǎn)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(shí)說(shuō)道，該IC采用了1250V的PowiGaN開(kāi)關(guān)技術(shù)，也許是目前市面上唯一商用的1250V氮化鎵產(chǎn)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(chǎn)品，目前PI已經(jīng)通過(guò)在硅、氮化鎵以及碳化硅上的廣泛布局，滿(mǎn)足了高中低母線(xiàn)電壓下的應用。
更高耐壓意味著(zhù)什么？
隨著(zhù)母線(xiàn)電壓越來(lái)越高，更高的耐壓產(chǎn)品也在市場(chǎng)中的需求越來(lái)越高，但也會(huì )給器件帶來(lái)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(xiàn)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(huì )遠高于母線(xiàn)電壓，因此需要有更多的開(kāi)關(guān)裕量。
另外，在某些工業(yè)類(lèi)高壓應用中，又或者是電網(wǎng)不穩定區域，發(fā)電機啟動(dòng)瞬間或雷擊等會(huì )造成浪涌，也會(huì )這對后面的電源耐壓是一個(gè)巨大挑戰。
相對于硅，氮化鎵具有更高的耐壓，比如同樣是750V，硅產(chǎn)品在超過(guò)其耐壓范圍時(shí)會(huì )直接損壞，而氮化鎵超過(guò)工作電壓并不會(huì )永久失效，而只是增加RDSon，隨著(zhù)電壓回復到正常值，氮化鎵還會(huì )恢復，這種特性也使其可靠性更高。對于PI的氮化鎵來(lái)說(shuō)，750V的產(chǎn)品在1400V才會(huì )出現永久失效，而對于1250V的產(chǎn)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更加安全可靠。
效率是電源轉換的關(guān)鍵
電源轉換過(guò)程中，效率則是所有相關(guān)工程師都需要關(guān)注的，更高的效率意味著(zhù)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(shí)，更高的效率也意味著(zhù)可以更加節能，更加綠色，因此各國都在效率方面制定了越來(lái)越嚴格的規定。
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(chǎn)品競爭力之外，通過(guò)減少體積，甚至還可以?xún)?yōu)化很多安裝，運輸方式，這主要是因為巨大的散熱系統會(huì )導致系統更加不可靠。
同時(shí)，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(lái)越多的家電在智能化、網(wǎng)聯(lián)化的要求下，功能越來(lái)越多，這無(wú)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(guò)程中的損耗
Jason表示，功率變換過(guò)程中功率管的損耗來(lái)源主要是開(kāi)關(guān)損耗與導通損耗，這兩個(gè)損耗有時(shí)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(guò)程中等效電阻RDSon所引起的損耗。而開(kāi)關(guān)損耗主要由Coss來(lái)決定。開(kāi)關(guān)損耗主要是因為功率管的寄生電容在電壓變化過(guò)程中所帶來(lái)的能量釋放。對于高壓應用而言，硅MOSFET會(huì )因為耐壓的升高而導致RDSon增加，同時(shí)電壓越高寄生電荷也就越多，開(kāi)關(guān)過(guò)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(huì )帶來(lái)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(shí)測效率圖看三者區別
PI進(jìn)行了一套完整的產(chǎn)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(chǎn)品，因此可以實(shí)現最客觀(guān)的對比。
在看測試圖之前，我們先科普兩個(gè)事實(shí)。首先是高壓情況下，效率會(huì )變低，這主要是由于在高壓狀態(tài)時(shí)，開(kāi)關(guān)損耗會(huì )急劇增加。簡(jiǎn)單的理解就是試想電壓越高導通時(shí)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(shí)溫升更高，因此常用的溫升測試都是在低壓狀態(tài)進(jìn)行。
PI提供了兩個(gè)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(chǎn)品引腳兼容，因此只需更換主芯片，這樣可以客觀(guān)評價(jià)出芯片的影響。
如圖所示，綠色曲線(xiàn)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(shí)都具有更高的效率，在低壓時(shí)，提升了至少1%的效率，這也意味著(zhù)可減少20%損耗，從而實(shí)現更好的溫升表現。
同時(shí)我們也可以看到，在高壓應用時(shí)，氮化鎵與碳化硅的效率則較為接近。
實(shí)測的溫升表現也證明，相比于硅，第三代半導體可以實(shí)現6-10度的降低。
到底應該選哪種器件？答案已經(jīng)在圖中了。
氮化鎵代表著(zhù)未來(lái)
在某些750伏DC的應用當中，氮化鎵已經(jīng)可以取代碳化硅了。PI CEO Balu Balakrishnan此前就在公開(kāi)場(chǎng)合說(shuō)過(guò)，PI實(shí)際上投入過(guò)數千萬(wàn)美元進(jìn)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(shí)晶圓尺寸更大，相比而言碳化硅在制備，切割等過(guò)程較為復雜，因此氮化鎵極具成本優(yōu)勢，也代表了功率系統的未來(lái)。
如果再回頭看硅，氮化鎵在功率密度上遙遙領(lǐng)先于硅，因此越來(lái)越多要求高功率密度的場(chǎng)景開(kāi)始接受氮化鎵，目前PI已經(jīng)有70多款產(chǎn)品采用了氮化鎵的技術(shù)。實(shí)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，就足以體現出氮化鎵的優(yōu)勢?！盝ason說(shuō)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(guò)集成不同種類(lèi)的功率元件，實(shí)現了為客戶(hù)的量身定制?！安⒉皇撬械膽枚夹枰捎玫?，要具體根據開(kāi)關(guān)頻率，電流等來(lái)確定，有些應用無(wú)法體現出氮化鎵的優(yōu)勢。這不止體現在成本上，還體現在其性能表現上?！盝ason說(shuō)道。
比如在LC電路中，由于負載是電感屬性，因此PI也專(zhuān)門(mén)為此類(lèi)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(zhù)諸多優(yōu)勢。
第一個(gè)優(yōu)勢是高度整合，在單芯片中集成了包括開(kāi)關(guān)、保護、反饋、同步整流以及磁隔離等全部組件，用戶(hù)只需要設計外圍電路即可，這降低了產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)門(mén)檻，減少了產(chǎn)品尺寸，同時(shí)也提高了可靠性。另外，這種高度整合相對于分立而言，也會(huì )大大降低供應鏈風(fēng)險及管理成本，避免因部分器件缺貨所帶來(lái)的不確定性。
第二個(gè)優(yōu)勢則是PowiGaN的獨特架構，采用了Cascode（共源共柵）架構，通過(guò)MOSFET與氮化鎵并聯(lián)的方式，實(shí)現了器件的常關(guān)。而一些廠(chǎng)商則通過(guò)建立柵極控制勢壘，即所謂的E-Mode（增強型）來(lái)實(shí)現功率管常關(guān)。
Jason解釋道，對于E-Mode而言由于其內部進(jìn)行了摻雜，所以可靠性可能會(huì )降低，制程難度也較大，另外其驅動(dòng)電壓裕量較小，并且還需要負壓防止出現誤導通，因此控制電路實(shí)現起來(lái)較為復雜。
Cascode技術(shù)相比于E-Mode的優(yōu)勢
而Cascode模式下，通過(guò)硅MOSFET進(jìn)行控制，無(wú)需考慮負壓，且耐壓度更高，因此整體電路會(huì )變得簡(jiǎn)單，氮化鎵的工藝也相對簡(jiǎn)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(gè)功率管，所以會(huì )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(wú)需額外的電流檢測單元，所以總體損失還是可控?！盝ason說(shuō)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(guān)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(gè)有意思的故事。PI在數年前推出PowiGaN時(shí)，并沒(méi)有宣稱(chēng)采用了氮化鎵技術(shù)，畢竟彼時(shí)還沒(méi)有太多敢于吃螃蟹的客戶(hù)。隨著(zhù)產(chǎn)品在業(yè)界取得了好評之后，再加上市場(chǎng)上其他對手開(kāi)始出現氮化鎵，這時(shí)PI才公開(kāi)了其氮化鎵技術(shù)，在一定程度上打消了客戶(hù)的擔憂(yōu)。正如PI CEO所說(shuō)：“我們今天研發(fā)的技術(shù)很多是客戶(hù)五年后才會(huì )用到的?！?/p>
“PI產(chǎn)品最大的價(jià)值點(diǎn)不只是價(jià)格和性能，產(chǎn)品功能只是一個(gè)基本要求，能不能通過(guò)PI幫助客戶(hù)建立品牌優(yōu)勢，這才是實(shí)力的體現?！盝ason總結道。
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