用于下一代电力电子的 GaN 出现

荷兰芯片制造商Nexperia赞助的最近行业活动的参与者表示，汽车、消费和航空应用中的功率转换等应用正在利用氮化镓 (GaN)技术的优势。

例如，Kubos Semiconductor 正在开发一种称为立方 GaN 的新材料。“它是立方氮化镓，我们不仅可以在 150 毫米及以上的大型晶圆上生产它，而且还可以扩展到更大的晶圆尺寸，并可以无缝插入现有的生产线，”Kubos 首席执行官 Caroline 说奥布莱恩。

其他人正在努力扩大宽带隙 (WBG) 半导体在电源管理中的应用范围。英国电气化专家 Ricardo 正在扩大其使用 GaN 和碳化硅技术的电力工作。

Ricardo 的首席工程师 Temoc Rodriguez 指出，特斯拉是第一家使用SiC 代替绝缘栅双极晶体管 (IGBT)的汽车制造商，这引发了更多使用 WBG 材料以提高功率效率，同时减小功率转换器的尺寸和重量的趋势。

在其他地方，Hexagem 首席执行官 Mikael Björk 描述了这家瑞典公司开发的 GaN-on-silicon 技术，旨在降低成本，同时增加未来应用的规模优势。“我们正在寻求更高的额定电压要求，”Björk 说。

活动赞助商 Nexperia 指出，每一代 GaN 技术的性能都在稳步提升，这些收益可能会超过硅目前的成本优势。支持者认为，这些进步是在硅技术的渐进式改进是微不足道的。

应用

CO2碳排放的压力越来越大，从汽车到电信等工业部门正被推动投资于更高效的电力转换和电气化。IGBT 等硅基功率半导体技术在工作频率和速度方面存在基本限制。它们还表现出较差的高温和低电流性能。高压 Si FET 的频率和高温性能同样受到限制。

这些限制促使更多的应用设计者考虑使用 WBG 半导体。

Kubos Semiconductor 的 O'Brien 表示：“在应用市场中，随着更小的设计尺寸以及更高的效率，我认为 GaN 能够实现以前未被认可或广泛使用的应用，例如小型基站。” . “对于更小的系统设计来说，这是一个真正的机会。”

一个关键特性是开关频率响应，特别是在 DC/DC 转换器高达 5–10 kW 的应用中。“这是一种可以在电信和能源领域以及消费电子产品中考虑的标记，”罗德里克斯补充道。“有很多以 DC/DC 转换器为中心的应用可以提高效率并节省能源。”

除了更高的电压，Hexagem 的 Björk 还强调晶圆缩放，同时优化 GaN 器件的生产以降低成本。“目前，150 毫米晶圆是市场地址，但未来 [生产] 可以扩展到 200 毫米晶圆。而且，谁知道呢，可能会有 300 毫米晶圆的尝试，”Björk 预测道。

GaN-on-Si 技术是应用最广泛的技术之一，但在器件开发方面并没有很好的声誉。

“氮化镓和硅具有非常不同的晶格常数，因此它们不匹配，”Björk 说。“在将 GaN 放在硅上之前，您必须生长出相当先进的不同层堆叠。当你这样做时，你会产生许多有害的缺陷、错位、损失和过早损坏。

“另一个问题是 GaN 和硅之间的热膨胀失配，”他补充道。“当你把它提高到大约 1000˚C 时，当你冷却这两种材料时，它们会以不同的速度收缩，你最终可能会破坏结构。”

与此同时，从车载充电器和 DC/DC 转换器到牵引和辅助逆变器的汽车应用都在使用 GaN 技术，Nexperia 的 GaN 应用总监 Jim Honea 说。“用于电动汽车的大型电池的开发正在创造许多过去无法想象的应用，”Honea 说。

此外，Nexperia 的 Dilder Chowdhury 指出，低 Q _rr或反向恢复电荷有助于简化滤波器设计，从而提高开关性能。GaN 功率晶体管也可以与通用栅极驱动电路并联使用。高电压和开关频率是最大的挑战，尤其是对硅工程师而言。

随着 EV 制造商寻求提高行驶里程，GaN 功率 IC 作为一种在提高效率的同时减小尺寸和重量的方法正在获得牵引力。

GaN 可用于设计功率电子系统，该系统体积小四倍，重量轻四倍，与基于硅的系统相比具有可比的能量损失。零反向恢复可减少电池充电器和牵引逆变器的开关损耗，以及更高的频率和更快的开关速率等优势。

此外，降低开关中的开启和关闭损耗有助于减少 EV 充电器和逆变器等应用中的电容器、电感器和变压器的重量和体积。

支持者还断言 WBG 技术为电源转换设计人员提供了提高效率和功率密度的新方法。与它们的硅对应物一样，单个 GaN 器件的电流处理能力仍然有其上限。并行实现 GaN 器件是一种常见的方法。

Honea 说，然后可以缩放 GaN 尺寸。“通过并联 GaN 晶体管，我们可以扩展功率。然而，如果你把它们平行放置，你就会增加共振，你必须确保你不会激发和放大它们。”