過去一些年，功率電子行業(yè)的工程師一直處于一個非常尷尬的境地，一方面他們無法在現有空間內繼續(xù)提高功率，但同時又不希望增大設備所需的空間。如果不能增大尺寸，那么只能提高功率密度，而這又需要依賴半導體技術，乃至半導體材料的創(chuàng)新。寬帶隙半導體，尤其是基于氮化鎵（GaN）的半導體技術的出現，為功率系統(tǒng)設計人員提供了針對不同應用需求的更多選擇。

市場趨勢使然

60多年以來，硅一直都是電氣產品中的基礎材料，廣泛用于交流電與直流轉換，并調整直流電壓來滿足從手機到工業(yè)機器人等眾多應用的需求。雖然元器件一直在持續(xù)改進和優(yōu)化，但物理學意義上的極限卻是橫亙在硅材料面前的一條無法逾越的鴻溝。

從“磚頭”手機到笨重的電視機，電源模塊曾經在電子電器產品中占據相當大的空間。硅電源技術領域的創(chuàng)新曾一度大幅縮減了這些應用的尺寸，但卻很難更進一步。在現有尺寸規(guī)格下，硅材料無法在所需的頻率下輸出更高的功率。而對于即將推出的5G無線網絡，以及未來的機器人、可再生能源直至數據中心技術，功率都是一個至關重要的因素。此外，更嚴格的行業(yè)標準也在推動電子產品向更高能效和更緊湊的方向發(fā)展，對功率半導體提出了更高功率密度的性能要求。

硅達到其性能極限的窘境，為寬禁帶產品的開發(fā)開啟了機會。寬禁帶產品有出色的性能優(yōu)勢，可以利用高頻實現高能效、高功率密度。寬禁帶超級結（SJ）產品可以提高工作頻率，使用的范圍更廣。碳化硅（SiC）具有高頻、高功率能力，但頻率范圍比GaN低些，GaN的頻率范圍最高，功率卻相對低些。下圖可以看出各類功率器件的頻率、輸出功率范圍及在汽車中的應用。

GaN的時代已經到來

GaN可處理更高頻率和更高的功率，與硅器件相比，它可以在尺寸和能耗減半的條件下輸送同等的功率，因此提高了功率密度，有助于設計人員在不增大設計空間的同時滿足更高的功率要求。

更高的頻率交換意味著GaN可以一次轉換更大范圍的功率，減少復雜設計中的功率轉換。由于每次功率轉換都會產生新的能耗，這對于很多高壓應用是一個明顯的優(yōu)勢。基于GaN的全新電源和轉換系統(tǒng)功率損耗更低，產生的熱量也更少。由于高溫會提高運行成本、干擾網絡信號并誘發(fā)設備故障，這些特性便顯得尤為重要。

GaN技術的研發(fā)正逐步走向成熟，從研究轉向批量生產是一個漫長的過程，其中包括對電子工程師的教育。今天，許多技術壁壘已經消除。為了提高產量和降低成本，制造工藝已逐漸優(yōu)化，針對該技術的特殊的質量流程已經實施，并在2017年11月JEDEC組織成立了一個新的委員會，為寬禁帶半導體制定了標準（JC- 70），這預示著批量生產即將開始。

新產品如雨后春筍

市場調研機構HIS預計，從現在年到2027年SiC和GaN應用將激增，包括電動/混動汽車及充電樁基礎設施、太陽能逆變器、電源、工業(yè)電機驅動、不間斷電源（UPS）、軍事/航空等應用領域，其中電動/混動汽車、太陽能逆變器、電源將是主要的應用市場。

形形色色的GaN芯片及模塊

最近短短幾個月，許多廠商都發(fā)布了新的產品。宜普電源轉換公司（EPC）推出了100 V的EPC2051氮化鎵場效應晶體管，其占板面積只是1.1平方毫米、最大導通阻抗為25 m?，脈沖輸出電流高達37 A，支持高效功率轉換。此外，低成本的EPC2051與等效硅MOSFET的成本可比。這種器件可用于自動駕駛汽車的激光雷達（LiDAR），快速獲得物體檢測和距離測量方面的環(huán)境信息。得益于其高性能、小尺寸及低成本優(yōu)勢，應用涵蓋運算及通信系統(tǒng)、激光雷達、LED照明及D類音頻放大器等應用的48 V輸入電壓的電源轉換器。

英飛凌的氮化鎵解決方案CoolGaN? 600 V增強型HEMT和氮化鎵開關管專用驅動IC（GaN EiceDRIVER IC）也已投入量產。它們具備更高功率密度，可實現更加小巧、輕便的設計，從而降低系統(tǒng)總成本和運行成本，減少資本支出。氮化鎵柵極驅動IC可實現恒定的GaN HEMT開關轉換速率，幾乎不受工作循環(huán)或開關速度影響。這可確保運行穩(wěn)健性和很高能效，大大縮短研發(fā)周期。英飛凌的產品支持高頻應用，如企業(yè)級超大規(guī)模數據中心服務器、通信整流器、適配器、充電器、SMPS和無線充電設施等。

GaN Systems在中國的PEAC電力電子會議上推出了新產品并提供GaN設計專長。新的GS-065低電流（4A至11A）GaN Systems產品線，無需使用分立或集成驅動器，使之易于實現并降低系統(tǒng)成本。這種1kW以下的電源解決方案非常適合許多應用，包括游戲和工作站筆記本電腦AC適配器、電視電源、LED照明和無線電源系統(tǒng)。新的50W無線功率放大器擴展了適用于無線功率傳輸和充電應用的解決方案，包括100 W功率放大器和300 W功率放大器產品，目標是消費、工業(yè)和汽車市場的低功率應用，如手持電子產品、電動工具、玩具、家用、機器人、無人機和滑板車。

意法半導體和Leti合作開發(fā)了硅基氮化鎵功率開關器件制造技術。該技術將能夠滿足高能效、高功率的應用需求，包括混動和電動汽車車載充電器、無線充電和服務器。該項目的重點是開發(fā)和檢測在200mm晶片上制造的先進的硅基氮化鎵功率二極管和晶體管架構。此外，意法半導體還宣布與MACOM合作開發(fā)射頻硅基氮化鎵技術，用于MACOM的各種射頻產品和意法半導體為非電信市場研制的產品。

德州儀器（TI）近日推出支持高達10kW應用的新型即用型600 V氮化鎵50mΩ和70mΩ功率級產品組合。與AC/DC電源、機器人、可再生能源、電網基礎設施、電信和個人電子應用中的硅場效應晶體管（FET）相比，LMG341x系列使設計人員能夠創(chuàng)建更小、更高效和更高性能的設計。其GaN FET器件通過集成獨特的功能和保護特性，來實現簡化設計，達到更高的系統(tǒng)可靠性和優(yōu)化高壓電源的性能，為傳統(tǒng)級聯和獨立的GaN FET提供了智能替代解決方案。通過集成的<100ns電流限制和過溫檢測，器件可防止意外的直通事件并防止熱失控，同時系統(tǒng)接口信號可實現自我監(jiān)控功能。

相比之下，雖然我國早在2000年便開始了以氮化鎵和碳化硅為代表的寬禁帶半導體電力電子器件的研發(fā)。但我國氮化鎵核心材料、器件原始創(chuàng)新能力仍相對薄弱。當然，目前國內已有少數公司在氮化鎵研究、制造方面取得了一些成果，如蘇州納維科技制造出了氮化鎵襯底晶片，江蘇能華微電子建成了中國首條8英寸氮化鎵芯片生產線。我們希望看到，中國建立起氮化鎵器件研發(fā)和生產的完整產業(yè)鏈。

未來應用愿景

今天，尺寸減半、功率翻番的氮化鎵技術給機器人、可再生能源和電信等領域帶來了革新。經過多年的研究、實際驗證和可靠性測試，GaN已開始成為解決功率密度問題的最佳技術。有公司在高于硅材料的工作溫度和電壓下，對GaN器件進行了2000萬小時的加速可靠性測試，確信GaN工藝、技術和器件完全合格，而且已經具備批量化生產的條件。

我們看到，在一些功率密度為優(yōu)先特性的關鍵行業(yè)，GaN已經開始替代硅材料。批量化生產GaN功率模塊的最佳適用行業(yè)包括：制造：利用GaN技術可更簡單地將驅動和功率轉換組件集成至機器人中，簡化設計、減少繁冗的布線并降低運行成本；數據中心：有效地將48V電壓一次轉化為大多數計算機硬件所要求的低電壓，提升數據中心的功率效率，大幅降低電源配送損耗并將轉換損耗減少30%。；無線服務：大范圍的5G網絡覆蓋要求運營商部署更高功率和運行頻率的設備，GaN的功率密度優(yōu)勢可以滿足他們的需求；可再生能源：GaN能夠以90%的效率轉化10千瓦的可再生能源，這對于電力企業(yè)來說是一個非常出色的性能基準。

時至今日，GaN的進化仍遠未結束。未來，GaN將繼續(xù)擴展至消費者電子產品等領域，打造更薄的平板顯示器，并減少可充電設備的能源浪費?？梢赃@樣講，如果你只是需要3%或4%的能效提升，可以利用其它很多方法實現，但是，如果你希望功率密度翻番，那么GaN則是你的優(yōu)先選擇。