（文/程文智）近幾年碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)等第三代半導(dǎo)體異?；馃幔瑖?guó)內(nèi)外很多半導(dǎo)體企業(yè)都涌入其中。據(jù)Yole Développement統(tǒng)計(jì)，2021全球GaN功率器件市場(chǎng)規(guī)模為1.26億美元，預(yù)計(jì)2021~2027年期間復(fù)合年增長(zhǎng)率為59%，2027年全球市場(chǎng)規(guī)模高達(dá)20億美元，這主要得益于四大潛力市場(chǎng)的助力。

圖：2021~2017年GaN功率器件市場(chǎng)規(guī)模（來(lái)源：Yole）

四大潛力應(yīng)用助力GaN市場(chǎng)騰飛

哪些應(yīng)用的增長(zhǎng)，讓GaN市場(chǎng)規(guī)模能夠以如此快的速度成長(zhǎng)呢？在Cambridge GaN Devices（簡(jiǎn)稱(chēng)：CGD）公司亞太區(qū)銷(xiāo)售副總裁Carryll Chen看來(lái)主要有四大應(yīng)用，分別是消費(fèi)類(lèi)應(yīng)用、數(shù)據(jù)中心與通信電源、光伏等工業(yè)類(lèi)應(yīng)用，以及汽車(chē)類(lèi)應(yīng)用。

首先是消費(fèi)類(lèi)應(yīng)用，這是GaN器件最開(kāi)始大規(guī)模出貨的市場(chǎng)，現(xiàn)在搭載GaN器件的PD充電器，尤其是第三方的充電器已經(jīng)非常流行。接下來(lái)，GaN還會(huì)繼續(xù)滲透到其他消費(fèi)類(lèi)應(yīng)用中，比如顯示器、游戲主機(jī)電源、低噪聲D類(lèi)音頻放大器等。據(jù)Carryll Chen介紹，以前的顯示器電源大概是50W，但如今的大尺寸顯示器電源已經(jīng)來(lái)到了200W，因此采用GaN愿望越來(lái)越強(qiáng)烈，目前已經(jīng)有廠商在評(píng)估了；而低噪聲D類(lèi)音頻放大器則主要用于高端音響中，因?yàn)镚aN器件可以實(shí)現(xiàn)更理想的性能，而且抑制性能會(huì)更好。

二是數(shù)據(jù)中心與通信電源類(lèi)應(yīng)用。隨著信息傳輸?shù)臄?shù)量和速度越來(lái)越高，數(shù)據(jù)中心消耗的能源也越來(lái)越大?，F(xiàn)在各國(guó)的法規(guī)都致力于在同樣的體積下不斷提升功率密度，而GaN在提升功率密度方面非常有優(yōu)勢(shì)，因此，這些年來(lái)，越來(lái)越多的服務(wù)器和數(shù)據(jù)中心廠商開(kāi)始導(dǎo)入采用GaN器件的高效率、高功率密度電源。

圖：Cambridge GaN Devices公司亞太區(qū)銷(xiāo)售副總裁Carryll Chen

三是可再生能源與光伏等工業(yè)類(lèi)應(yīng)用。據(jù)Carryll Chen透露，目前已經(jīng)有不少微型逆變器產(chǎn)品開(kāi)始導(dǎo)入GaN器件了。當(dāng)然，除了個(gè)人用或家庭用的光伏逆變器，還有儲(chǔ)能系統(tǒng)也是一個(gè)增長(zhǎng)不錯(cuò)的潛力市場(chǎng)。另外，工業(yè)類(lèi)的應(yīng)用，也包括馬達(dá)驅(qū)動(dòng)以及軌道電源等工業(yè)類(lèi)電源產(chǎn)品。她談到，雖然工業(yè)類(lèi)的應(yīng)用起步比較慢，但今年的導(dǎo)入速度非?？?，未來(lái)的滲透率值得期待。

四是汽車(chē)類(lèi)應(yīng)用。這是未來(lái)最有發(fā)展?jié)摿Φ囊粋€(gè)市場(chǎng)，GaN可以用在電動(dòng)汽車(chē)的牽引逆變器、電機(jī)控制與驅(qū)動(dòng)、車(chē)載充電機(jī)（OBC）、DC/DC轉(zhuǎn)換器、激光雷達(dá)上的電源模塊、汽車(chē)座艙內(nèi)的無(wú)線充電等場(chǎng)景中，不過(guò)由于汽車(chē)類(lèi)應(yīng)用大都與人身安全有很大的關(guān)系，所以大規(guī)模應(yīng)用到汽車(chē)上還需要等待一段時(shí)間。畢竟安全驗(yàn)證是需要時(shí)間的。但這的確是一個(gè)趨勢(shì)，值得關(guān)注。

易用和可靠性是GaN市場(chǎng)騰飛的關(guān)鍵

前面談到了四大類(lèi)應(yīng)用將會(huì)是未來(lái)GaN市場(chǎng)規(guī)?？焖僭鲩L(zhǎng)的最大驅(qū)動(dòng)力來(lái)源，但其實(shí)，不同類(lèi)型的應(yīng)用對(duì)GaN器件的需求是不一樣的，從效率、容易使用、可靠性、尺寸，甚至是成本方面來(lái)考量的話，消費(fèi)類(lèi)應(yīng)用由于設(shè)計(jì)周期非常短，用量很大，因此，對(duì)使用者來(lái)說(shuō)，他們最希望拿到一個(gè)非常簡(jiǎn)單，易于使用的器件，而且尺寸要小，成本要有競(jìng)爭(zhēng)力。

而對(duì)數(shù)據(jù)中心類(lèi)應(yīng)用來(lái)說(shuō)，他們對(duì)效率和可靠性的要求更加嚴(yán)苛。畢竟消費(fèi)類(lèi)的充電器萬(wàn)一壞了，影響的可能是個(gè)人無(wú)法充電而已，但數(shù)據(jù)中心，如果一個(gè)器件發(fā)生了故障，影響的可能是整個(gè)服務(wù)器的運(yùn)作，或者數(shù)據(jù)的損毀。

到汽車(chē)類(lèi)應(yīng)用的話，可靠性的要求就更高了，畢竟它直接關(guān)系到人身安全了。

綜合來(lái)看，易用性和可靠性是GaN器件能否大規(guī)模被市場(chǎng)采用的關(guān)鍵。那么，如何才能做到易用和可靠呢？畢竟GaN的gate耐壓不高，很容易誤導(dǎo)通和開(kāi)關(guān)，甚至容易發(fā)生“炸機(jī)”事件。加上GaN材料的特性，其切換速度非?？?，所以dv/dt帶來(lái)的噪聲也比MOSFET高很多。要想做到跟MOSFET一樣方便易用，其實(shí)是很困難的。

CGD通過(guò)先進(jìn)設(shè)計(jì)，大幅提升GaN可靠性與易用性

CGD是一家Fabless半導(dǎo)體公司，致力于開(kāi)發(fā)一系列節(jié)能的GaN功率器件，目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)更加環(huán)保的電子產(chǎn)品，其兩位創(chuàng)始人均來(lái)自英國(guó)劍橋大學(xué)，其中首席執(zhí)行官Giorgia Longobardi博士此前在劍橋大學(xué)工程系領(lǐng)導(dǎo) GaN 功率器件團(tuán)隊(duì)，在GaN領(lǐng)域有12年的研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，首席技術(shù)官（CTO）Florin Udrea則是劍橋大學(xué)功率半導(dǎo)體教授，擁有超過(guò)150項(xiàng)專(zhuān)利。在他們兩位指導(dǎo)下研發(fā)出來(lái)的ICeGaN?系列產(chǎn)品則兼具可靠性和易用性?xún)纱筇攸c(diǎn)。

為了克服GaN的使用挑戰(zhàn)，讓GaN更容易驅(qū)動(dòng)，業(yè)內(nèi)GaN廠商想了很多辦法，比如有使用Cascode架構(gòu)驅(qū)動(dòng)GaN器件，以避免柵極耐壓太低的問(wèn)題；也有將柵極驅(qū)動(dòng)器集成到GaN內(nèi)部，通過(guò)外部的控制信號(hào)，讓內(nèi)部的GaN驅(qū)動(dòng)器直接去驅(qū)動(dòng)GaN；“但這些方式都各有利弊?！?Carryll Chen對(duì)電子發(fā)燒友網(wǎng)表示，第一種解決方案需要負(fù)驅(qū)動(dòng)電壓，以限制高dv/dt瞬態(tài)期間HEMT的虛假關(guān)斷事件；而柵極驅(qū)動(dòng)器完全集成的解決方案，雖然減少了寄生效應(yīng)帶來(lái)的影響，但卻失去了使用低成本、高性能硅基驅(qū)動(dòng)器的靈活性。此外，由于片上熱耦合會(huì)導(dǎo)致功率器件自發(fā)熱，柵極驅(qū)動(dòng)器會(huì)有額外的損耗。

而CGD則另辟蹊徑，不是將柵極驅(qū)動(dòng)器完全集成，而是利用內(nèi)置的邏輯電路去控制電壓，達(dá)到簡(jiǎn)化驅(qū)動(dòng)電路的目的。因?yàn)樵?Carryll 看來(lái)，如果想要讓一個(gè)GaN器件變得比較好設(shè)計(jì)，或者比較好使用的話，最好的辦法就是想辦法讓GaN驅(qū)動(dòng)起來(lái)就像一個(gè)MOSFET，畢竟MOSFET已經(jīng)使用非常久了，大部分的工程師都熟悉。

CGD的ICeGaN的驅(qū)動(dòng)方式就與MOSFET類(lèi)似，不同于其他的增強(qiáng)型GaN解決方案，ICeGaN與任何硅基驅(qū)動(dòng)器都能兼容。再加上ICeGaN器件具有較高的閾值電壓，Vth≈3V，可抑制與dV/dt相關(guān)的虛假導(dǎo)通事件，從而使操作更加安全。此外，ICeGaN 器件可以使用高達(dá)20V的柵極電壓驅(qū)動(dòng)（遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò) p-GaN HEMT的標(biāo)準(zhǔn)電壓7V），而不會(huì)影響器件的跨導(dǎo)或動(dòng)態(tài)性能。

圖：ICeGaN H2系列器件內(nèi)部框圖（來(lái)源：CGD）

根據(jù)ICeGaN器件的內(nèi)部框圖，內(nèi)置的鉗位電路能夠?qū)斎霒艠O信號(hào)控制在5.5V左右，來(lái)使內(nèi)部GaN HEMT完全導(dǎo)通。除此之外，它其實(shí)還有溫度補(bǔ)償?shù)墓δ茉诶锩妫跂艠O與源極之間加入的米勒鉗位電路，可以用最短的路徑避免dv/dt造成的影響，實(shí)現(xiàn)0V關(guān)斷。與常用的外部放電電路相比，CGD可以在內(nèi)部晶圓上實(shí)現(xiàn)最短路徑，會(huì)有更好的表現(xiàn)。

像CGD這樣只集成部分電路，而不是將整個(gè)驅(qū)動(dòng)器都集成到芯片內(nèi)部帶來(lái)的好處是，由于驅(qū)動(dòng)電流還是來(lái)自外部的驅(qū)動(dòng)器，CGD可以直接使用Ron或Roff去控制充放電電流，調(diào)整器件的dv/dt斜率。外部驅(qū)動(dòng)線路會(huì)非常接近MOSFET。唯一的差異就是CGD目前還是需要外接VDD用來(lái)設(shè)定一些參考電壓，做一些 enable、disable和 detection的監(jiān)測(cè)功能。因此，ICeGaN器件還是需要給VDD供電，未來(lái)，CGD會(huì)努力實(shí)現(xiàn)GaN和MOSFET的無(wú)痛轉(zhuǎn)換。

目前的研究顯示，GaN器件的柵極耐壓其實(shí)跟溫度和頻率有很大的關(guān)系，尤其是GaN HEMT的柵極耐壓最大值只有7V時(shí)，在低溫下，如果耐壓降低了，驅(qū)動(dòng)時(shí)的雜散信號(hào)很可能會(huì)把GaN的柵源極擊穿，或是造成生命周期的減少。為了讓ICeGaN器件更加穩(wěn)健，讓它能夠在不同溫度環(huán)境下，都能保持良好運(yùn)作，CGD在鉗位電路里面，額外增加了溫度補(bǔ)償。因此，ICeGaN器件內(nèi)部的鉗位電路會(huì)隨著溫度的不同而改變，比如在25℃時(shí)，內(nèi)部鉗制在5.5V，而在0℃時(shí)，鉗制電壓值會(huì)跟著降低，以保證GaN的柵極不會(huì)被擊穿。當(dāng)GaN器件啟動(dòng)后，溫度慢慢提升之后，內(nèi)部的鉗位電路的電壓會(huì)往上提高，不會(huì)因?yàn)榇斯δ芏绊懙叫时憩F(xiàn)。

具體產(chǎn)品方面，CGD在PCIM Europe期間推出的第二代ICeGaN 650V氮化鎵HEMT系列產(chǎn)品，采用了CGD的智能柵極接口，幾乎消除了典型e-mode GaN的各種弱點(diǎn)，大幅加強(qiáng)了柵極電壓耐用性，可提供更高的噪聲抗擾閾值，以及提升dv/dt抑制和ESD保護(hù)效果。新型 650 V H2 ICeGaN 晶體管與前代器件相同，驅(qū)動(dòng)電壓范圍與硅基MOSFET相同，驅(qū)動(dòng)電路也非常接近，無(wú)需復(fù)雜低效的電路，并可兼容市場(chǎng)上普遍使用的硅基MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)器。另外，與硅器件相比，H2 ICeGaN HEMT 的 Q_G 低10倍，Q_OSS低5倍，這使得 H2 ICeGaN HEMT在高開(kāi)關(guān)頻率下能大幅降低開(kāi)關(guān)損耗，并縮小尺寸，減輕重量。這使得其效率和效能在同類(lèi)產(chǎn)品中更具優(yōu)勢(shì)，在SMPS應(yīng)用中，比業(yè)界出色的硅基MOSFET的性能要高出2%。

由此可見(jiàn)，CGD的GaN器件不僅解決了目前GaN技術(shù)的發(fā)展的瓶頸，也克服了減緩采用GaN新型技術(shù)的挑戰(zhàn)，同時(shí)，還能沿用傳統(tǒng)MOSFET的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，幫助終端廠商從MOSFET無(wú)痛轉(zhuǎn)換到GaN，快速搶占寬禁帶半導(dǎo)體市場(chǎng)商機(jī)。

結(jié)語(yǔ)
GaN可以說(shuō)是當(dāng)今功率電子領(lǐng)域最引人注目的材料，有助于開(kāi)發(fā)出功率密度更大、導(dǎo)通電阻更低、頻率響應(yīng)更高的高壓器件。隨著市場(chǎng)對(duì)高效率和高功率密度需求的提升，以及未來(lái)四大潛力應(yīng)用的驅(qū)動(dòng)，加上更多簡(jiǎn)單易用，可靠性更高的GaN器件的推出，相信GaN市場(chǎng)在未來(lái)幾年會(huì)迎來(lái)高速騰飛。


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