PI近日宣布推出1700V氮化鎵(GaN)開關(guān)IC，這一技術(shù)突破有哪些亮點(diǎn)?它將如何影響高壓氮化鎵市場(chǎng)?

近日，Power Integrations(以下簡(jiǎn)稱PI)宣布推出InnoMux?-2系列單級(jí)、獨(dú)立調(diào)整多路輸出離線式電源IC的新成員。該芯片采用PI專有的PowiGaN?技術(shù)制造而成，支持更高母線電壓的使用，是業(yè)界首款1700V氮化鎵開關(guān)IC，更是首個(gè)超過1250V的氮化鎵器件。

對(duì)于當(dāng)前的高壓市場(chǎng)而言，碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)作為先進(jìn)的第三代半導(dǎo)體材料，各自都具有獨(dú)特的性能優(yōu)勢(shì)，并在不同領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。特別是功率氮化鎵(Power GaN)技術(shù)作為后起之勢(shì)， Baliga性能指數(shù)(與硅相比)高達(dá)900，遠(yuǎn)高于碳化硅的500，并且其禁帶寬度可以達(dá)到3.4eV，高于碳化硅的3.3eV，這使得氮化鎵的器件在高頻、高效、大功率方面更具優(yōu)勢(shì)，逐漸在氮化鎵高壓領(lǐng)域嶄露頭角。

硅基IGBT曾長(zhǎng)期統(tǒng)治高壓高電流場(chǎng)景，但隨著碳化硅的出現(xiàn)，其耐高壓、耐高頻以及低能耗的特性使其在高壓市場(chǎng)實(shí)現(xiàn)了逐步替代。在1700V的高壓市場(chǎng)中，碳化硅的名字并不陌生。那1700V碳化硅IC已經(jīng)存在，如此大費(fèi)周折地開拓高耐壓氮化鎵開關(guān)IC的目的何在?

半導(dǎo)體器件應(yīng)用網(wǎng)的記者在PI的1700V氮化鎵開關(guān)IC新品媒體溝通會(huì)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)話PI市場(chǎng)營(yíng)銷副總裁Doug Bailey以及PI資深技術(shù)培訓(xùn)經(jīng)理Jason Yan，探討1700V氮化鎵開關(guān)IC的重要意義。

01|1700V的突破在哪里?

PI推出的1700V額定耐壓氮化鎵InnoMux?-2IC可以在反激設(shè)計(jì)1000V DC輸入情況下實(shí)現(xiàn)高于90%的功率變換效率，進(jìn)一步提升了氮化鎵功率器件的先進(jìn)水平。

為什么突破高壓氮化鎵市場(chǎng)?

目前在氮化鎵開關(guān)IC市場(chǎng)的應(yīng)用中，面對(duì)不同的功率的應(yīng)用，所采用的主流的開關(guān)技術(shù)也會(huì)不同。小于10W的小功率的開關(guān)應(yīng)用仍然使用硅，因?yàn)樾詢r(jià)比比較高，生產(chǎn)起來也比較容易。而如果有更小體積、更高功率密度的設(shè)計(jì)目標(biāo)，則氮化鎵技術(shù)具有無可比擬的優(yōu)勢(shì)，因其可以工作于更高頻率，且也更加高效。

100W到1KW的之間的范圍，在傳統(tǒng)的高功率應(yīng)用當(dāng)中目前使用最多的還是用到碳化硅和IGBT。隨著未來市場(chǎng)的發(fā)展，處于中間位置的SiC市場(chǎng)會(huì)慢慢縮小，中間縮小的區(qū)間會(huì)有相當(dāng)大的一部分會(huì)被氮化鎵所替代。PI致力于開發(fā)1700V的氮化鎵開關(guān)IC正是基于對(duì)氮化鎵技術(shù)的深刻理解及對(duì)高壓功率氮化鎵器件市場(chǎng)的預(yù)測(cè)。

碳化硅開關(guān)IC一直是一個(gè)高能耗產(chǎn)業(yè)，碳化硅的外延生長(zhǎng)過程耗時(shí)較長(zhǎng)，而且其獨(dú)特產(chǎn)線的投入要求，使其總體成本相對(duì)較高。特別是在產(chǎn)品制造的過程中隨著電壓的升高，產(chǎn)品的缺陷就更容易暴露出來。因此，缺陷的減少意味著可以有更高電壓適應(yīng)環(huán)境。

PI市場(chǎng)營(yíng)銷副總裁Doug Bailey出席新品媒體溝通會(huì)

針對(duì)“為什么突破氮化鎵高壓市場(chǎng)?”的問題，PI市場(chǎng)營(yíng)銷副總裁Doug Bailey給出了PI的答案：氮化鎵開關(guān)出現(xiàn)在1700V氮化鎵高壓領(lǐng)域的最大意義就在于可以顯著節(jié)省產(chǎn)品成本。PI在氮化鎵技術(shù)上具有更好的外延生長(zhǎng)技術(shù)，這就意味著氮化鎵開關(guān)IC的產(chǎn)品外延缺陷會(huì)更少，而采用傳統(tǒng)的硅技術(shù)生產(chǎn)線即可生產(chǎn)氮化鎵的特點(diǎn)，也使得在規(guī)劃氮化鎵生產(chǎn)制造以及降低成本上有了更多的自由。

產(chǎn)品新在何處?

PI技術(shù)副總裁Radu Barsan表示，新型InnoMux?-2 IC整合了1700V氮化鎵技術(shù)和其他三項(xiàng)最新創(chuàng)新技術(shù)：獨(dú)立、精確的多路輸出調(diào)整;FluxLink?，也就是PI獨(dú)創(chuàng)的次級(jí)側(cè)控制(SSR)數(shù)字隔離通信技術(shù)以及無需有源鉗位即可實(shí)現(xiàn)的零電壓開關(guān)(ZVS)技術(shù)。

1. 獨(dú)立、精確的多路輸出調(diào)整：

a. InnoMux-2單級(jí)架構(gòu)能大幅提高多路輸出效率，消除了多路輸出應(yīng)用中常見的后級(jí)DC-DC變換，進(jìn)而降低了損耗;

b. 同時(shí)由于采用單級(jí)變換，從而可以大幅減少多達(dá)50%的元件數(shù)量，也便于優(yōu)化整體電源的EMI特性;

c. 在高達(dá)1000VDC母線下可精確控制2組或3組CV輸出(15-70W輸出功率)，在不同輸入電壓及負(fù)載條件下均能滿足±1%的調(diào)整精度;

d. 次級(jí)側(cè)實(shí)現(xiàn)的零電壓開關(guān)操作使得只需一個(gè)主功率開關(guān)的條件下，在高母線電壓應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)了90%的效率，將損耗和熱量減少44%，進(jìn)而顯著降低了IC的溫升，優(yōu)化了系統(tǒng)的性能;

e. 高精度輸出的特性，使得無需在輔助輸出端使用假負(fù)載，大大優(yōu)化了空載輸入功率，甚至于空載功耗會(huì)低于50mW，而待機(jī)功率相對(duì)于舊有方案也增加了20%;

f. 1700V耐壓情況下，新型的F封裝提高了高壓引腳與低壓引腳間的爬電距離，保證了整體方案在高母線電壓、惡劣工作環(huán)境下電源的可靠性。

2. 次級(jí)側(cè)控制(SSR)數(shù)字隔離通信技術(shù)

FluxLink次級(jí)側(cè)控制數(shù)字隔離通信技術(shù)，無需光耦器，能有效提升芯片動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度并降低電源輸出電容的容量。

3. 無需有源鉗位的零電壓開關(guān)(ZVS)技術(shù)

a. 通過次級(jí)實(shí)現(xiàn)的零電壓開關(guān)操作，大大降低了高母線電壓下主功率開關(guān)管的開通損耗，提升效率的同時(shí)也降低了器件溫升;

b. 器件的低溫升帶來的好處是可以利用PCB板進(jìn)行散熱——無需散熱片，這對(duì)于縮小電源體積、提升功率密度有現(xiàn)實(shí)的意義。

E-Mode還是D-Mode?

目前市場(chǎng)上的GaN有E-Mode(增強(qiáng)型)或D-Mode(常閉耗盡型)兩種, PI采用的是D-Mode的技術(shù)路線，為什么做出這樣的選擇?

E-Mode GaN是一種常閉型設(shè)備，在不增加?xùn)艠O電壓的情況下，設(shè)備處于關(guān)閉狀態(tài)，不導(dǎo)電;為了形成導(dǎo)電通道，必須增加正柵極電壓——利用偏置層(P-參雜)實(shí)現(xiàn)“常開”模式的FET狀態(tài)，這樣做會(huì)增加驅(qū)動(dòng)不當(dāng)產(chǎn)生的故障風(fēng)險(xiǎn)。

同時(shí)，E-mode要滿足更高的驅(qū)動(dòng)電壓裕量來保證可靠性，就需要降低驅(qū)動(dòng)電壓。這樣會(huì)導(dǎo)致器件本身的導(dǎo)通電阻變大，這樣就犧牲了氮化鎵器件低導(dǎo)通電阻的優(yōu)勢(shì)。

PI資深技術(shù)培訓(xùn)經(jīng)理Jason Yan介紹新品

PI資深技術(shù)培訓(xùn)經(jīng)理Jason Yan談到：“PowiGaN(共源共柵架構(gòu))是一種常開型設(shè)備，使氮化鎵器件工作于其天然的“常閉”模式狀態(tài)。同時(shí)，PI的氮化鎵器件依靠通過串聯(lián)一個(gè)低壓MOS管來實(shí)現(xiàn)功率器件的常開狀態(tài)，不會(huì)犧牲氮化鎵的天然導(dǎo)通特性，D-Mode在高溫和高壓條件下具有更高的穩(wěn)定性和壽命。MOS管目前已經(jīng)具備非常成熟的驅(qū)動(dòng)和保護(hù)技術(shù)，這樣的架構(gòu)無論是從保護(hù)還是驅(qū)動(dòng)方面來說都不會(huì)對(duì)氮化鎵的優(yōu)勢(shì)性能產(chǎn)生影響?！?/p>

02|在高壓市場(chǎng)的應(yīng)用將會(huì)如何?

根據(jù)Yole Group預(yù)計(jì)，從2022年到2028年，氮化鎵功率器件市場(chǎng)將以49%的復(fù)合年增長(zhǎng)率增長(zhǎng)，市場(chǎng)價(jià)值將達(dá)到20.4億美元，這一增長(zhǎng)得益于氮化鎵技術(shù)在提高能效、減小系統(tǒng)尺寸以及降低總成本方面的潛力。

所以氮化鎵目前仍是一個(gè)前景產(chǎn)業(yè)，無論是從材料、成本還是從技術(shù)發(fā)展和未來趨勢(shì)來看，相比技術(shù)成熟的硅以及成本昂貴的碳化硅，氮化鎵都具備更廣闊的空間。

據(jù)悉，此次1700V的氮化鎵開關(guān)IC的推出正是PI對(duì)氮化鎵市場(chǎng)應(yīng)用趨勢(shì)的獨(dú)特理解，主動(dòng)進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新的詮釋。市場(chǎng)營(yíng)銷副總裁Doug Bailey這樣表示：我們同客戶之間的溝通除了考慮基于客戶的基本需求外，PI更加注重對(duì)于市場(chǎng)和應(yīng)用的理解，進(jìn)而主動(dòng)提供一些革命性的新產(chǎn)品與新技術(shù)給客戶更多的選擇。

圖源：PI官方

1700V氮化鎵開關(guān)IC實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品InnoMux?-2高精度的輸出以及1700V高壓的突破的雙創(chuàng)升級(jí)，同PI現(xiàn)有高壓解決方案(StackFET?解決方案)相比更具優(yōu)勢(shì)，氮化鎵技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域也就更廣闊。

此前，Yole Group化合物半導(dǎo)體部門市場(chǎng)活動(dòng)經(jīng)理Ezgi Dogmus也表示：“到2029年底，功率氮化鎵器件市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到20億美元，并將擴(kuò)展到各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域。PI的1700V氮化鎵開關(guān)IC無疑將在這個(gè)市場(chǎng)中占據(jù)一席之地?！蹦俏磥頃?huì)在哪些應(yīng)用領(lǐng)域看到1700V氮化鎵開關(guān)IC的身影?

圖源：PI官方

針對(duì)不同應(yīng)用領(lǐng)域的氮化鎵產(chǎn)品適配要求，1700V額定耐壓的InnoMux2-EP系列憑借其高達(dá)300-1000V DC的寬輸入電壓范圍和強(qiáng)大的1700V耐壓能力，在工業(yè)控制、儀表、電機(jī)控制、儲(chǔ)能以及太陽(yáng)能等對(duì)電壓范圍和耐壓能力有著極高要求的工業(yè)控制領(lǐng)域得到適用。

不僅如此，對(duì)于輸入電壓高達(dá)308V AC的應(yīng)用場(chǎng)景，如計(jì)算機(jī)CPU、微控制器(MCU)、數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)、通信設(shè)備、功能性電源(包括傳動(dòng)裝置、電機(jī)、照明、加熱器、揚(yáng)聲器、家電等)、電視機(jī)以及顯示器等領(lǐng)域，現(xiàn)有的750V耐壓的InnoMux-2 器件同樣兼具成本和性能效益。

1700V氮化鎵開關(guān)IC以其更小的尺寸、高效率以及高功率密度的解決方案，為氮化鎵高壓市場(chǎng)帶來了更豐富的選擇。

圖源：PI官方

即便氮化鎵的應(yīng)用前景相當(dāng)可觀，但是在氮化鎵產(chǎn)品應(yīng)用前景與產(chǎn)品本身始終無法繞開的一個(gè)問題就是如何做好成本與性能之間的兼顧。

圖源：PI官方

在氮化鎵領(lǐng)域如何平衡產(chǎn)品的成本與性能方面，PI從以下兩點(diǎn)進(jìn)行考慮：第一，使氮化鎵的die size（裸片尺寸）做得越小越好，最大程度上節(jié)省成本;第二，降低外延生長(zhǎng)期間的缺陷率，同樣一個(gè)晶圓尺寸，能夠產(chǎn)出更多芯片數(shù)量，使得成本得以降低。PI發(fā)揮氮化鎵可以替代碳化硅的天然性能優(yōu)勢(shì)，極大平衡與兼顧成本跟性能兩個(gè)方面，提升市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

03|寫在最后

隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和成本的進(jìn)一步降低，氮化鎵有望在高壓領(lǐng)域取代部分碳化硅器件，成為市場(chǎng)的新寵。即便如此，SiC器件在性能指標(biāo)、工藝成熟度等方面目前較氮化鎵而言確實(shí)具備更強(qiáng)的先發(fā)優(yōu)勢(shì)。

但值得肯定的是，1700V氮化鎵開關(guān)IC作為氮化鎵技術(shù)的重要突破，對(duì)于高壓市場(chǎng)也有重要的應(yīng)用，氮化鎵技術(shù)未來會(huì)如何發(fā)展，還會(huì)在實(shí)際應(yīng)用中呈現(xiàn)怎樣的效果，我們將拭目以待。

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審核編輯 黃宇