基于GaN的高功率密度快充正快速成長

程文濤

1 看好哪類GaN功率器件的市場？

2020—2021年硅基氮化鎵（GaN）開關(guān)器件的商用化進(jìn)程和5年前（編者注：指2016年）市場的普遍看法已經(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。這說明影響新材料市場發(fā)展的，技術(shù)只是眾多因素當(dāng)中的1個。我個人看好的未來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、工業(yè)電源、音響、無線充電、激光雷達(dá)等，其中快充會繼續(xù)引領(lǐng)氮化鎵開關(guān)器件的市場成長。

相對于硅器件和碳化硅器件，氮化鎵的主要優(yōu)勢是其非常小的輸入輸出寄生參數(shù)，帶來應(yīng)用上的好處包括極低的開關(guān)損耗，允許超高的開關(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，除了性能和價格，最引起關(guān)注的話題是長期可靠性。目前，氮化鎵開關(guān)器件絕大多數(shù)都是在硅襯底上生長氮化鎵，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）發(fā)布的業(yè)界第1款硅基氮化鎵開關(guān)器件到現(xiàn)在，整個業(yè)界對硅基氮化鎵的研究可以說已經(jīng)很深入了，但真正大規(guī)模的應(yīng)用還是最近幾年的事。相對而言，硅乃至碳化硅在市場上運(yùn)行的時間要長得多，現(xiàn)存器件數(shù)量也大得多，因此氮化鎵相對其他兩種材料而言，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引擎的1個原因。另外，因為硅基氮化鎵超小的寄生參數(shù)，使其為用戶帶來極低開關(guān)損耗的優(yōu)勢之外，也大大提高了驅(qū)動此類器件的難度。

英飛凌很早就將著眼點放在硅基氮化鎵可靠性的研究實踐上，并在JEDEC（joint electron device engineering council，國際固態(tài)技術(shù)協(xié)會）標(biāo)準(zhǔn)之上增加了多重措施，確保我們生產(chǎn)的硅基氮化鎵的長期可靠性遠(yuǎn)高于市場平均水平。另外，硅基氮化鎵的長期可靠性與器件在其應(yīng)用場景中的電壓擺幅、開關(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)用場景作深度交流，以對長期可靠性做出評估。在器件驅(qū)動方面，英飛凌開發(fā)了專用的氮化鎵驅(qū)動器，減輕了用戶設(shè)計驅(qū)動電路時的壓力。

3 英飛凌的發(fā)展規(guī)劃

硅基氮化鎵經(jīng)過數(shù)年的規(guī)模化商用，已經(jīng)證明其突出的性能提升，以及誘人的市場前景。未來幾年，該市場將會保持兩位數(shù)的年復(fù)合增長率。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，并提供更高的性價比，主要針對高功率和低功率SMPS（switching mode power supply，開關(guān)電源）應(yīng)用、可再生能源、電機(jī)驅(qū)動應(yīng)用等。

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