荷蘭芯片制造商Nexperia贊助的最近行業(yè)活動的參與者表示，汽車、消費和航空應用中的功率轉(zhuǎn)換等應用正在利用氮化鎵 (GaN)技術的優(yōu)勢。

例如，Kubos Semiconductor 正在開發(fā)一種稱為立方 GaN 的新材料?！八橇⒎降?，我們不僅可以在 150 毫米及以上的大型晶圓上生產(chǎn)它，而且還可以擴展到更大的晶圓尺寸，并可以無縫插入現(xiàn)有的生產(chǎn)線，”Kubos 首席執(zhí)行官 Caroline 說奧布萊恩。

其他人正在努力擴大寬帶隙 (WBG) 半導體在電源管理中的應用范圍。英國電氣化專家 Ricardo 正在擴大其使用 GaN 和碳化硅技術的電力工作。

Ricardo 的首席工程師 Temoc Rodriguez 指出，特斯拉是第一家使用SiC 代替絕緣柵雙極晶體管 (IGBT)的汽車制造商，這引發(fā)了更多使用 WBG 材料以提高功率效率，同時減小功率轉(zhuǎn)換器的尺寸和重量的趨勢。

在其他地方，Hexagem 首席執(zhí)行官 Mikael Bj?rk 描述了這家瑞典公司開發(fā)的 GaN-on-silicon 技術，旨在降低成本，同時增加未來應用的規(guī)模優(yōu)勢?！拔覀冋趯で蟾叩念~定電壓要求，”Bj?rk 說。

活動贊助商 Nexperia 指出，每一代 GaN 技術的性能都在穩(wěn)步提升，這些收益可能會超過硅目前的成本優(yōu)勢。支持者認為，這些進步是在硅技術的漸進式改進是微不足道的。

應用

CO2碳排放的壓力越來越大，從汽車到電信等工業(yè)部門正被推動投資于更高效的電力轉(zhuǎn)換和電氣化。IGBT 等硅基功率半導體技術在工作頻率和速度方面存在基本限制。它們還表現(xiàn)出較差的高溫和低電流性能。高壓 Si FET 的頻率和高溫性能同樣受到限制。

這些限制促使更多的應用設計者考慮使用 WBG 半導體。

Kubos Semiconductor 的 O'Brien 表示：“在應用市場中，隨著更小的設計尺寸以及更高的效率，我認為 GaN 能夠?qū)崿F(xiàn)以前未被認可或廣泛使用的應用，例如小型基站?！?. “對于更小的系統(tǒng)設計來說，這是一個真正的機會?！?

一個關鍵特性是開關頻率響應，特別是在 DC/DC 轉(zhuǎn)換器高達 5–10 kW 的應用中?！斑@是一種可以在電信和能源領域以及消費電子產(chǎn)品中考慮的標記，”羅德里克斯補充道。“有很多以 DC/DC 轉(zhuǎn)換器為中心的應用可以提高效率并節(jié)省能源。”

除了更高的電壓，Hexagem 的 Bj?rk 還強調(diào)晶圓縮放，同時優(yōu)化 GaN 器件的生產(chǎn)以降低成本。“目前，150 毫米晶圓是市場地址，但未來 [生產(chǎn)] 可以擴展到 200 毫米晶圓。而且，誰知道呢，可能會有 300 毫米晶圓的嘗試，”Bj?rk 預測道。

GaN-on-Si 技術是應用最廣泛的技術之一，但在器件開發(fā)方面并沒有很好的聲譽。

“氮化鎵和硅具有非常不同的晶格常數(shù)，因此它們不匹配，”Bj?rk 說。“在將 GaN 放在硅上之前，您必須生長出相當先進的不同層堆疊。當你這樣做時，你會產(chǎn)生許多有害的缺陷、錯位、損失和過早損壞。

“另一個問題是 GaN 和硅之間的熱膨脹失配，”他補充道?！爱斈惆阉岣叩酱蠹s 1000?C 時，當你冷卻這兩種材料時，它們會以不同的速度收縮，你最終可能會破壞結(jié)構(gòu)?！?

與此同時，從車載充電器和 DC/DC 轉(zhuǎn)換器到牽引和輔助逆變器的汽車應用都在使用 GaN 技術，Nexperia 的 GaN 應用總監(jiān) Jim Honea 說。“用于電動汽車的大型電池的開發(fā)正在創(chuàng)造許多過去無法想象的應用，”Honea 說。

此外，Nexperia 的 Dilder Chowdhury 指出，低 Q _rr或反向恢復電荷有助于簡化濾波器設計，從而提高開關性能。GaN 功率晶體管也可以與通用柵極驅(qū)動電路并聯(lián)使用。高電壓和開關頻率是最大的挑戰(zhàn)，尤其是對硅工程師而言。

隨著 EV 制造商尋求提高行駛里程，GaN 功率 IC 作為一種在提高效率的同時減小尺寸和重量的方法正在獲得牽引力。

GaN 可用于設計功率電子系統(tǒng)，該系統(tǒng)體積小四倍，重量輕四倍，與基于硅的系統(tǒng)相比具有可比的能量損失。零反向恢復可減少電池充電器和牽引逆變器的開關損耗，以及更高的頻率和更快的開關速率等優(yōu)勢。

此外，降低開關中的開啟和關閉損耗有助于減少 EV 充電器和逆變器等應用中的電容器、電感器和變壓器的重量和體積。

支持者還斷言 WBG 技術為電源轉(zhuǎn)換設計人員提供了提高效率和功率密度的新方法。與它們的硅對應物一樣，單個 GaN 器件的電流處理能力仍然有其上限。并行實現(xiàn) GaN 器件是一種常見的方法。

Honea 說，然后可以縮放 GaN 尺寸?！巴ㄟ^并聯(lián) GaN 晶體管，我們可以擴展功率。然而，如果你把它們平行放置，你就會增加共振，你必須確保你不會激發(fā)和放大它們?！?