超高压氮化镓的崛起：碳化硅能否幸存？

科技 2024-12-13 10:34 广东

近年来，氮化镓(GaN)作为一种极具吸引力的宽禁带(WBG)半导体材料，在中低压应用领域迅速崛起。这种材料凭借其高性能和小尺寸的特点，在便携式电子设备中展现出巨大潜力。然而，氮化镓的技术进步并未止步于此，其在高压应用中的潜力同样令人瞩目。

近日，在国际集成电路展览会暨研讨会(IIC Shenzhen 2024)同期举办的2024年CEO峰会上，Power Integrations(PI)公司的营销副总裁Doug Bailey以“Will SiC Survive the Emergence of Super-High Voltage GaN?”为题发表了一场颇具争议性的演讲，探讨了超高压氮化镓技术的崛起及其对碳化硅(SiC)市场的潜在影响。这一演讲不仅引人深思，而且具有重要的现实意义。

Bailey指出，Power Integrations近期推出了1700V的氮化镓器件，这是首个超过1200V等级的氮化镓器件。此前，该公司已于一年前推出了1250V的器件。这些进展表明，氮化镓技术正在迅速发展，逐渐逼近甚至超越碳化硅的性能。Bailey强调，这一系列创新旨在取代碳化硅，这是该公司的使命。

净零经济下，功率半导体市场前景广阔

根据国际能源署(IEA)发布的净零经济投资图，每年约有4万亿美元的投资用于需要功率半导体的设备、系统和机器。这是一个巨大的市场，涵盖氢能源、电力系统、交通和工业过程电气化，以及太阳能和风能等可再生能源领域。氮化镓和碳化硅等宽禁带半导体在这些领域具有广泛的应用前景。

WBG半导体技术与硅对比

为何氮化镓和碳化硅等宽禁带半导体产品更受青睐?从根本上说，这些材料耗散的能量更少，效率更高。高效率意味着可以在更小的空间内实现相同的功能。此外，当其他材料无法满足需求时，这些材料仍然可以胜任。在处理能量时，高效率还能节省成本。然而，尽管硅在许多方面表现不佳，如耗散能量大、体积庞大、动态性能差，但其依然被广泛使用，主要归因于其悠久的历史。

碳化硅作为一种高压功率半导体，在几乎所有可以想象到的方面都更胜一筹。无论是从效率、机械尺寸还是电气适用性来看，氮化镓与碳化硅不相上下，但在电压宽度方面，氮化镓才刚刚起步。“这正是我们在电源集成方面一直努力的方向。”Bailey如是说。

成本是半导体开关最重要的考量因素之一。成本从何而来?首先涉及的是材料成本。硅、碳和氮这三种元素都不稀有，最稀有的元素是镓。然而，镓在开采铝矿时可作为副产品免费获得。实际上，全球镓的储量丰富。综上所述，这些材料均不属于稀有范畴，因此从本质上讲，它们的成本相对低廉。

接下来是产量问题。氮化镓在产量上落后于碳化硅，也远远落后于硅。这也是Power Integrations致力于改善产品成本结构的一个重要方面。

Bailey进一步指出了碳化硅的两个难以克服的缺陷，而氮化镓却能够克服这些问题。碳化硅的生产需要大量机器和时间，外延生长非常缓慢，熔炉需要长时间工作，导致机器成本高昂。此外，碳化硅需要在极高温度下处理，而氮化镓则可以使用普通的CMOS工艺制造。“在我看来，碳化硅的这两个‘缺陷’是该材料本身的根本问题，难以克服”。

WBG半导体的开关损耗远低于硅

宽禁带材料为何优于硅?随着晶粒尺寸的增加，总损耗(导通损耗+开关损耗)降低。研究表明，宽禁带半导体在导通时表现出优异的导电性能。

“超导体具有一层非常薄的薄膜或载流子，当它们在材料中移动时，受到的阻力非常小。因此，这些器件或材料在传导损耗方面具有显著优势。”Bailey解释道。

功率开关的另一个关键参数是其可以工作的开关频率。在千赫兹、万赫兹，甚至百万赫兹的范围内频繁开关电源时，宽禁带材料的开关损耗非常低。由于其物理尺寸较小，开关时不需要对较大的输出电容进行放电，因此开关损耗显著降低。

将这两点结合起来，总损耗降低意味着与硅相比，宽禁带材料具有不可动摇的优势。对于任何应用领域而言，宽禁带材料都是一类更优的选择，唯一的差别在于成本。

不同功率水平下的典型应用及最适合的开关技术

以10的倍数来定义功率水平，从10W(可能是一个10W的手机充电器)到1GW(可能是通过高压直流线路传输的能量)，可以定位一系列典型应用，包括高电压应用，如暖通空调(HVAC)和风力发电——风力发电已经达到10MW甚至20MW的水平，高速列车和逆变器驱动的电动汽车也达到了几百MW，再到电动汽车充电中的电桥，直至笔记本电脑适配器，甚至冰箱电源。

笔记本适配器领域的主导技术是什么?Bailey认为：“这一点非常明确，氮化镓是主流技术。如果你拥有一台新款笔记本适配器，很可能内部就使用了氮化镓技术。我想说的是，GaN在100W级别是主流。”

在1kW级别，如服务器电源、车载充电器、DC-DC转换器中，氮化镓都是赢家。在10kW级别，即大型服务器电源和太阳能电池阵列中，氮化镓同样表现出色。在Bailey看来，氮化镓无疑是比MOSFET或碳化硅更优的技术。

他认为，在电动汽车牵引领域，尽管目前人们一直在尝试使用碳化硅，但氮化镓最终将实现这一目标。

在极低功率水平下，当需要非常紧凑、超小的产品时，氮化镓是理想选择。但对于10W的电源而言，氮化镓器件可能过于小巧，不便于制造和组装，因此其优势并不明显。

在高压领域，IGBT仍将是首选器件，但1MW级别可能是个例外。这也是Bailey认为碳化硅的发展方向，即在IGBT和氮化镓之间徘徊，但氮化镓将在1MW级产品中占据主导地位。

PI宽禁带半导体发展历程

回顾电源领域的发展历程，硅基器件已使用了很长时间。

大约四五年前，PI推出了首款750V的氮化镓器件。“我们推出的这款氮化镓器件在汽车领域表现非常出色。氮化镓在汽车领域广为人知，深受喜爱，被广泛用于汽车应急电源。它在1200V的总线上运行良好。汽车行业通常只需要800V，但他们喜欢多一些裕量。因此，我们推出了1700V的器件。我们已经通过了700V、900V和1700V的汽车认证。实际上，900V的氮化镓器件也通过了汽车认证。因此，这是400V总线应用的理想选择。大家可以在汽车应用中使用氮化镓器件。”Bailey介绍道。

去年，PI推出了一款1200V的氮化镓开关。这种开关特别适合保护那些使用工业电源的应用，或者那些市电可能不太稳定的地区。例如，印度就倾向于在计量系统中使用1250V的器件。

就在11月4日，PI推出了1700V的氮化镓器件。“我们为此感到非常自豪。”Bailey表示。

“从市场适用性来看，随着电压的提高，我们将以非常积极的方式拓展市场。我们从手机充电器、电视机、笔记本适配器起家，如今已进入汽车充电、计量系统、太阳能电池阵列和电池储能领域。”Bailey说道。

1700V GaN效率媲美750V产品

再来看氮化镓开关的相对效率。下图中有三条曲线。左边是750V的氮化镓开关，其工作电压约为400V。一旦超过400V，就需要使用新的1700V器件。相比之下，硅在电压升高时效率大幅下降。而氮化镓则没有明显的效率损失，这意味着在设计应用时，如果使用PI的器件，可以在不影响效率的情况下升级开关，从而提供额外的保护和电压裕量。

传统上，从750V低压氮化镓获得高压支持的最佳替代方法是在其上串联一个StackFET。可以注意到，在900VDC的母线电压下，其效率约为82%，而采用1700V氮化镓器件，其损耗几乎减少了一半。“这是一种更好的思路。当我们把效率从80%多提升到90%多时，损耗可以减少一半。或者，可以从相同的体积获得双倍的能量。这是非常重要的。”Bailey指出。

耗尽型氮化镓比增强型更佳

另外，并不是所有的氮化镓都相同。在设计最初的氮化镓产品时，PI决定采用耗尽型氮化镓，而其他公司则采用增强型。对于PI的应用领域而言，耗尽型氮化镓因其坚固性和可靠性而更为合适。

笔记本充电器应用实例——有源钳位反激式拓扑

以下是一个笔记本充电器的例子。通常情况下，笔记本充电器的效率为90%或89%。“欧盟是国际上对笔记本充电要求最严格的国家，对于60W左右的充电器来说，充电效率为89%。我们的效率超过95%，是最好、最严格的国际标准损耗的一半，可以制造出世界上最紧凑的充电器和适配器。”Bailey表示。

这实际上使用了两个氮化镓器件，一个是用于主开关的氮化镓开关，另一个是用于再循环漏感能量的有源钳位功率开关，也就是常见的有源钳位反激拓扑。其目的是将效率最大化，以缩小电源体积，提升功率密度。

结语

总之，氮化镓现已在全球范围内得到广泛应用。无论是在冰箱、空调系统中，还是在服务器、咖啡机中，都可以见到其身影。最初应用于适配器的氮化镓，如今已无处不在。

因此，Bailey向工程师强烈推荐，“当您在考虑未来的产品设计，特别是电源子系统时，请务必考虑氮化镓，它确实是最佳选择”!

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