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大咖论道 | 氮化镓发力抢占硅的地盘

近年来,随着新能源汽车、光伏产业等的发展,电力电子形成了前所未有的发展态势。以碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)为代表的新型宽禁带(WBG)半导体技术取得了重大进展,在提高功率转换效率方面扮演着越来越重要的角色。

IHS数据预计,GaN功率器件市场复合增速高达30%,到2027年将超过10亿美元。通信、汽车、工业市场是GaN功率器件的主要驱动力。

GaN的主要增长点在于移动快充、无线基础设施电源、PFC(功率因数校正)、无线通信、高频激光雷达和无线充电领域。未来五年,GaN的应用场景将扩大到5G基站、新能源汽车、特高压、数据中心等。

今天,来看看那些致力于GaN研究和应用的半导体行业大咖发表的一些真知灼见。

 

新拓扑彻底改变了快速充电

 

Navitas Semiconductor市场营销和投资者关系副总裁Stephen Oliver认为,GaN的出现满足了移动通信需求,实现了新的拓扑结构,彻底改变了快速充电格局。

他说,智能手机的屏幕尺寸和电池容量在10年内增加了3倍多。为获得更快的充电速度,OEM已经开始采用GaN充电器作为附件和“机箱内”选项。

Navitas Semiconductor市场营销和投资者关系副总裁Stephen Oliver认为,GaN的出现满足了移动通信需求,实现了新的拓扑结构,彻底改变了快速充电格局。

他说,智能手机的屏幕尺寸和电池容量在10年内增加了3倍多。为获得更快的充电速度,OEM已经开始采用GaN充电器作为附件和“机箱内”选项。

智能手机屏幕、电池和5G功能的增加以及数据处理和传输速率和容量的增强,使人们开始关注充电速度及旅行适配器的尺寸、重量和成本。同时,引入单一、灵活的充电平台(硬件和软件),即带电源传输(USB-PD)的通用串行总线“C型”连接器(USB-C)或可编程电源(PPS),意味着消费者不再依赖于一个OEM的电源产品。现在,用户可以选择一个充电器,为其16英寸MacBook Pro充电,还可以为手机或耳塞安全快速地供电。

1996年以来,学术界就提出了有源箝位反激(ACF)等高速拓扑,但由于硅的不良导通状态和开关栅极电荷、性能加上复杂性和缺乏优化控制IC而受挫。2018年初,GaN功率IC的推出结束了这种局面,不仅使ACF具备了商业可行性,而且实现了智能手机充电器的高频准谐振反激式充电,使用于游戏笔记本电脑、一体式PC、电视和5G发射单元电源等的更高功率系统的CrCM boost PFC、高速LLC和行进CrCM图腾柱PFC等拓扑结构具备了商业可行性。

在一个贴片封装中,GaN IC集成了GaN功率场效应管(FET)和GaN驱动加控制和保护。这些GaNFast功率IC成为易于使用、高速、高性能的“数字输入、电源输出”构建块。集成使其关断时几乎没有损耗,因为栅极驱动回路基本上没有阻抗。此外,还可以根据特定应用要求控制和定制开启性能。

其结果是,GaN功率IC在同等体积和重量上比老式硅设计快了3倍,并已被戴尔、联想和小米等一级OEM用于智能手机和笔记本电脑的快速充电。

 

尺寸方面,传统拓扑有线绕变压器(通常超过20毫米)加大型电解电容器, 50W迷你充电器采用400kHz频率,8毫米平面变压器,没有电解电容器,尺寸还不到旧的硅版本的一半。

 

GaN重新定义功率转换

 

Efficient Power ConversionCEO Alex Lidow博士回顾道,GaN功率器件已经生产了十多年。除了性能的提高,GaN技术影响功率转换市场最重要的机会来自于同一衬底上集成多个器件的能力。这种能力将使单片电源系统以更直接、更高效、更经济的方式设计在单个芯片上。

他说,在12V输入、12V输出降压转换器中,GaN分立器件和GaN单片半桥的性能有很大不同。

GaN基IC经历了不同的集成阶段,从纯分立器件到单片半桥器件,再到包含其自身单片集成驱动器的功率场效应管,最近又发展到包含功率场效应管、驱动器、电平转换电路、逻辑和保护的全单片功率级。

第一阶段是整体半桥,大约六年前开始研发。第一个IC器件将高侧和低侧晶体管放在一个衬底上。集成的优点包括减小尺寸和成本,由于两个晶体管的紧密耦合,寄生共源电感也减小了。此外,提高开关速度的优点使得开关功率转换系统更快、更有效,同时减小的功率回路电感降低了开关节点处的电压过冲和EMI。

出于多种原因,集成解决方案的效率高得多。第一个原因,功率回路电感已从约400pH降到约200pH。第二个原因,在非对称降压转换器中,高压侧器件或控制器往往比低压侧器件更热。当这两个器件放在同一个芯片上时,其热平衡可以达到较低的峰值温度,总体效率较高。

第二阶段是eGaN FET加驱动器。在GaN中,栅极和漏极之间的距离很大程度上决定器件能够承受的电压。缩小这个距离可以制造出更小的器件,这也使非常简单的低压逻辑和模拟器件能够与高功率高压器件放在同一个芯片上。

第三阶段是ePower级。2019年初,驱动功能和单片半桥与电平移位器、同步升压电路、保护和输入逻辑都集成到硅衬底的单个GaN上。这一完整的ePower级可以在数兆赫频率驱动和控制一个简单的低侧CMOS IC,只需增加几个无源元件即可成为一个完整的DC-DC稳压器。与分立式方法相比,体积小35%,组件数少了一半。集成功率级设计时间更短,因为只是逻辑输入和电源输出。

 

GaN的未来是扩展单片半桥,添加更多功能和特性。未来三到四年内,很可能功率转换中的分立晶体管将慢慢过时,集成解决方案将成为设计师构建电力电子系统的理想组件。

 

为5G提供高效电力 

Avnet Abacus高级营销总监Hagen Goetze指出,每个5G基础设施的射频放大器和数据处理都需要一系列功率转换级,以保证可靠性和性能方面的要求。

人们都在期待5G移动通信承诺的好处——理论上比50Gps更快的下载速度,比4G低50倍的延迟,开放家庭和工厂自动化物联网,当然还有自动驾驶车辆的控制。

他指出,传统大功率基站可能会留下没有信号的“黑点”,而且,由于5G中使用的频率较高,目前约为4GHz,由于有效范围较短,问题可能更严重。随着频谱的开放,毫米波段的频率将更高,而实现更好覆盖的唯一可行解决方案是建立覆盖更小区域的低功率“微型”电池网络,如安装在电线杆上或办公室和公共建筑的室内。

所有这一切都意味着部署设备的巨大扩张和所需电力的增加;预计5G需要的功率是典型4G基站的两倍以上。随着网络规模扩大,运营商的能源消耗也将大幅增加,并带来相应的财务成本和全球环境影响。因此,巨大的压力来自于基站尽可能节能的要求。此外,更高的效率将实现更小更轻的设备,更容易安装和维护,理想情况下一个人即可完成。

有效地为射频放大器供电是另一个要求。基站射频输出功率变化很大,从毫瓦级的“毫微”单元到通常高达10W的“小”单元,再到高于100W的最大的5G MIMO(多输入多输出)阵列。GHz频率的RF功率放大器(PA)本身不是很有效率,通常为50-60%,因此PA本身可能消耗250W左右功率。这个是一个放大器,根据华为的说法,在一个典型5G基站站点中,总功耗可能超过11.5kW,包括传统2/3/4G无线电和所有数据处理和控制电路。

针对功率放大器的功率要求,电压轨需要低噪声和严格控制,尽管下游的“包络跟踪”可用于提高放大器效率。LDMOS(横向扩散金属氧化物半导体功率晶体管)的工作频率高达4GHz左右,功率等级为kW,通常需要26-32V的电源,对于更高频率,GaN器件将以50-60V的电源轨为主,功率能力高达数百瓦,效率高于LDMOS。

采用GaN器件的典型电信输入范围DC-DC转换器通常用基板冷却“砖块”格式,射频功率放大器位于密封盒中的天线头处,仅通过外壳传导空气冷却。在可能的安装范围内,电子设备可能需要在零度以下的温度下启动,并在阳光充足的情况下以满功率运行。为了应对这些极端情况,射频功率放大器及其电源和控制电路可能需要额定在85℃。幸运的是,基板冷却的DC-DC转换器的额定温度至少是这个温度,这样的设备可以实现高于95%的效率,对内部温升的贡献很小。

 

打造高性能雷达系统

  

KEMET技术产品营销经理Joao Pedroso表示,工程师们了解相控阵雷达概念已有一段时间了,基于GaN技术可以设计出性能更好现代雷达。

毫不奇怪,雷达系统是AESA(有源电子扫描阵)技术的主要应用之一。由于不需要实际移动天线,因此不需要(或至少更少)移动部件。更少的潜在故障点支持了其在军事、汽车当中的应用,避免恶劣环境对敏感的电机造成严重影响。此外,由于天线是基于一个阵列,可以很容易地使用超过1000个发射机,如果一个发射机发生故障,天线可以继续工作,几乎没有任何性能恶化。对于只有一个发射机的传统天线来说,情况并非如此。天线发射的性质也使得使用反监视设备检测阵列更加困难。出于同样的原因,它不太容易受到干扰技术的影响。

然而,如此庞大的发射机阵列,每个发射机都需要自己的支持电子子系统,包括放大器和电源,这确实带来了设计挑战。空间很容易成为问题,这也是AESA系统现在采用GaN功率晶体管的原因之一。GaN技术带来的效率水平支持AESA系统中使用的频率和功率输出水平。

GaN功率晶体管能够在更高的功率水平和更高频率下工作,比硅基功率MOSFET效率更高。因此,在这些特性至关重要的广泛应用中,正在使用GaN功率晶体管,包括AESA、电动汽车逆变器和车载充电器及太阳能逆变器。

GaN衬底特性非常适合高功率应用。与硅相比,GaN具有更高的击穿电压和更高的电子迁移率,意味着其比硅衬底具有更好的导热性,其热导率比硅高15%左右。此外,其晶格结构的低热膨胀意味着基于GaN的功率晶体管具有更好的热效率,比硅运行更凉爽,工作温度更高。这最终将导致更高的功率密度,支持其在阵列中的使用。在远程监控应用中,每个晶体管的输出功率很容易达到200W,因此高效率、高功率密度和良好的导热性是优先要求。

GaN对系统设计也有影响,使用GaN功率晶体管对所有组件提出了更高的要求,尤其是无源组件。所涉及的高电压电平和频率将影响所用电容器的结构。KEMET在制造聚合物电容器材料方面取得了重大进展。此前,基于五氧化二钽(Ta2O5)的电介质电容器仅限于低电压应用,现在,KEMET可以用聚合物钽电容器的性能很好地匹配GaN晶体管。工程师们关注的特性,如保持尽可能低ESR(等效串联电阻)得以实现,使器件中的散热最小化。另一个重要的优点是与GaN晶体管的开关频率相称的600kHz范围内开关频率下工作的能力。

随着诸如GaN等WBG技术的持续商业化,其使用量将会增加,需要更适合这些高性能器件的无源器件来匹配。

 

电机驱动应用效果显著

 英飞凌科技氮化镓应用业务部门资深首席工程师Eric Persson认为,在集成线性化电容器的电机驱动集成功率模块(IPM)中使用GaN芯片可以实现比硅技术显著降低的功率损耗。

他表示,电机已经使用了一个多世纪,随着工业、办公和家庭自动化的不断发展,电机及其驱动装置越来越多地用于从机械臂控制到普通家用洗衣机的各种场合。今天,电机必须是“智能”的,以便在运动控制方面实现更大的灵活性、更好的功能和节能。然而,也存在一些限制因素——工业产品必须小、轻、节能,而商业产品也必须成本非常低。

增强的控制是通过电子电机驱动器或电压源逆变器来实现的,后者通常以可变频率和幅度产生三相AC,以控制电机的速度、转矩和方向。在驱动器中使用了开关模式技术,通常在16kHz左右工作,通过脉宽调制实现输出控制。

几十年来,硅MOSFET等器件已经能够实现较高数量级的开关,但在电机驱动中,高频(更小磁性元件)的优势并不明显;磁性元件是电机本身,其尺寸独立于应用。因此,保持较低的频率对于最小化开关损耗是明智的选择。高频器件(如MOSFET)的快速电压跃迁实际上带来了自身的问题;高dV/dt会导致电机绕组绝缘应力,产生电压超调或振铃,有击穿和局部放电退化的风险。此外,电磁干扰增加,需要额外的滤波器,共模电磁干扰电流可以通过电机轴承到达地,从而在轴承座圈中产生沟槽机械磨损。

由于高频开关似乎缺乏优势,IGBT仍被广泛使用,但为了提高效率,硅MOSFET也很受欢迎,通过减慢栅极驱动、引入缓冲器以及在三相驱动输出中加入外部串联和共模滤波器来降低开关边缘速率,所有这些都在一定程度上影响了效率。在低功率和中等功率下,MOSFET可以产生比IGBT更低的导通损耗和更好的开关损耗。这两种器件都以智能功率模块(IPM)形式提供,集成了典型的六个所需开关,以及栅极驱动器和保护功能。

用GaN实现宽禁带开关的方法具有更大的优势。采用硅MOSFET的IPM虽然效率较高,但仍存在进一步改进的压力;更高的效率不仅可以节省能源和资金,还可以生产出更小、更轻的产品,散热成本更低。如果一项改进可以消除对不可靠风扇的需求,或者允许在机器人手臂不在远程机柜中的电机旁边放置一个较小的驱动器,那么好处是显而易见的。现在更有效的器件是GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)。这种宽禁带技术比其他类似的硅MOSFET具有更低的传导损耗,是实现上述优势的关键,远远超过了其单位成本溢价。

GaN开关(如CoolGaN)速度非常快,能够实现kV/μs的边缘速率。这是小型AC-DC和DC-DC转换器在1MHz及更高频率下运行的一个重要特性。英飞凌的工程师意识到,在GaN芯片中的漏极到栅极使用一个非常小的电容器,对整体电容有显著的线性化效果。选择的值很小,约为1.2pF,实现了现有总栅极电荷值的两倍。边缘速率精确地限制在kV/μs左右,在较轻负载下,dV/dt自然下降到较低的值。

这项技术的进展使英飞凌能够设计出比同一应用中硅MOSFET效率更高的IPM,同时将边缘速率控制在可接受范围内。比较显示,在电机驱动应用中,相同温升的损耗几乎减半,利用了IPM中GaN器件更好的导通电阻。结果实现了不使用散热器的设计,或使用散热器驱动较大电机的能力。在这两种情况下都节省了成本。

总之,采用集成线性化电容器的GaN芯片可以实现电机驱动IPM比硅技术显著降低的功率损耗,避免影响可靠性和EMI合规性的高边速率问题,已经证明能够抵抗电机驱动应用中经常出现的应力和短路。

 

GaN器件不再是稀罕之物

GaN的价值已经在各种与功率相关的应用中体现出来,显示出潜在的提升系统效率,降低系统成本、散热、体积的潜力,超过了技术本身的小幅溢价。

未来是非常光明的,GaN技术和新产品将有巨大的增长潜力。但这永远不会在一个季度内发生。用已故伟大的“思想巨匠”史蒂芬·科维的话来说,“农场法则”很可能永远伴随着我们:要有所收获,必须先买一块土地,购买种子并播种,之后持之以恒地耕种、施肥、浇水、灌溉,到秋季的时候才能有所收获。


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