业界首款1700V氮化镓开关IC面世,碳化硅面临被替代?

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01业界首款1700V氮化镓开关IC由Power Integration推出,打破了碳化硅在高压领域的垄断地位。

02该氮化镓开关IC采用PI专有的PowiGaN™技术制造,具有极高的多路输出效率和优异的开关性能。

03与750V的PowiGaN器件相比,新发布的1700V器件具有相同的效率,且开关损耗极小。

04PI公司营销副总裁Doug Bailey表示,他们的目标是取代碳化硅,成为主流的功率器件材料。

05由于氮化镓器件基于现有的硅生产线制造,成本相对较低,有望在10W-1MW功率水平之间占据主导地位。

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近几年,以碳化硅、氮化镓为代表的第三代半导体因新能源汽车、储能等应用的兴起而备受关注。尤其是碳化硅,它在禁带宽度、击穿电压、热导率、电子饱和速率等关键参数上,都有明显优势,所以它在需要高压、耐高温、高频和大功率等应用领域备受青睐。众多半导体大厂也在积极布局碳化硅器件领域。


而氮化镓虽然拥有与碳化硅相似的优点,但相较于碳化硅,近几年的发展似乎有些不温不火。在高压领域,有碳化硅器件,在低压领域,又有硅器件。近期Power Integration(PI)推出的首款1700V氮化镓开关IC打破了这一局面,让氮化镓器件开始与碳化硅器件进行正面较量。


据PI资深技术培训经理Jason Yan介绍,PI近期推出的这款1700V氮化镓开关IC是其InnoMux™-2系列单级、独立调整多路输出离线式电源IC的新成员。该氮化镓开关IC采用了PI专有的PowiGaN™技术制造,并具有极高的多路输出效率,可在反激设计中轻松支持1000VDC额定输入电压,并在需要一个、两个或三个供电电压的应用中实现90%以上的效率。每路输出的调整精度都控制在1%以内,也无需后级稳压器,并将系统效率进一步提高了约10%。


相较于750V的PowiGaN器件,新发布的1700V器件也具有相同的效率。与现有的采用StackFETTM(DER-859样板)的高压解决方案相比,1700V InnoMux2-EP的效率获得大幅提高,开关损耗也极小,所需的元件数目也大大减少。


那为何PI能够将氮化镓的耐压值提高至1700V呢?这与PI采用的独特的功率开关结构相关。氮化镓功率器件的外延结构可分为D-mode(Depletion-mode/耗尽型)和E-mode(Enhance-mode/增强型)两种。其中,耗尽型GaN是常开的,反之增强型GaN则是常关的。


市场上大多数厂商都采用增强型结构,而PI采用的则是耗尽型结构,然后采用级联方式的“共源共栅”架构,在常开的耗尽型氮化镓器件下,串联一个小的MOS管。而MOSFET已经存在很多年,其驱动技术和保护技术都已经非常完善,所以PI利用现有的这种技术来控制耗尽型氮化镓,可以实现一个非常可靠和安全的运作。同时,也更加容易实现更高电压。


PI公司营销副总裁Doug Bailey此前在一个行业会议上就表示,PI推出的1700V氮化镓开关IC是业界首个超过1250V的氮化镓器件。一方面,这一器件让PI所能提供的功率变换开关选项变得越来越丰富,涵盖了从650V到1700V的电压范围,以及从硅,到氮化镓,再到碳化硅的不同材料的器件。另一方面,该款器件的发布也表明,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。Doug Bailey也表示,“我们的目标就是要取代碳化硅,这是我们公司的使命。”


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其实,PI之前就已经推出了1700V的碳化硅器件,那为何还要推出相同电压值的氮化镓器件呢?Jason Yan表示:“主要是出于成本的考虑。众所周知,碳化硅器件的制造是一个高能耗、高成本的过程,还需要独立建造生产线;而氮化镓器件则基于现有的硅生产线就可以进行制造,这样可以显著节省成本。我们致力于用氮化镓开关器件来代替传统的高能耗、价格昂贵的碳化硅器件。”


他以汽车市场为例,目前,许多汽车用户正面临着成本方面的压力,他们也想要需求碳化硅的可替代方案,而PI的氮化镓器件就是很好的选择。


随着PI将氮化镓的额定耐压值提高至1700V,氮化镓器件的应用范围将进一步扩大。目前,氮化镓器件主要应用于功率水平在100W左右的领域,在1KW以上,则是碳化硅的优势应用领域。但目前,氮化镓在慢慢蚕食碳化硅的应用市场。Jason Yan认为,在1KW功率水平,氮化镓将战胜碳化硅成为主要的电源开关技术;在10KW功率水平,氮化镓也已经应用于新的设计中;在100KW,氮化镓也即将得以应用。未来,氮化镓开关将在10W-1MW功率水平之间,占据主导地位。


Jason Yan同时也表示:“对于氮化镓器件,1700V不是顶点,PI未来肯定还会有更高的耐压产品面世。除了耐压增高以外,我们也会将电流能力进一步扩展,因为我们看好氮化镓技术的发展。”


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据Yole Group的数据显示,到2029年底,功率氮化镓器件市场规模将达到20亿美元,并将扩展到各个应用领域,与碳化硅器件相比,其成本优势更具吸引力。Jason Yan也表示:“碳化硅技术已经非常成熟,但其成本仍然没有下降,说明它已经面临瓶颈,而氮化镓技术还是一个新兴技术,相信未来会有非常广阔的应用前景,成为一个主流的功率器件材料。”