Why use GaN?

为什么采用氮化镓器件:氮化镓功率器件的优势

为什么氮化镓是非常重要的?

氮化镓器件可以更有效地传导电子,而且可承受比硅器件更高的电场。 它无论在开关速度、热管理、功率处理方面都超越了硅器件的性能,并且在功率转换和射频应用中替代硅基器件。

由于基于氮化镓器件的系统具有更高的效率、显着缩减尺寸、更轻盈和改善了散热性能,因此在传统采用硅器件的市场上,开始替代硅器件,并且实现了诸如激光雷达和射频包络跟踪等全新应用。

氮化镓器件可以代替硅器件吗?

1978年,硅功率MOSFET替代了较慢且老化的双极器件。早期采用功率MOSFET的应用是双极型器件不能支持所需更快的开关速度的应用,其最佳例子是台式电脑的开关电源,从此,MOSFET继续成为半导体行业的首选电源转换器件。

这个转变告诉我们,有四个关键因素控制新电源转换技术的普及速度:

  1. 支持新应用的能力
  2. 易于使用
  3. 成本效益
  4. 可靠性

目前氮化镓器件已成为 老化功率MOSFET的设定替代器件,但要成为首选半导体技术,正如所有新技术一样,氮化镓技术必须满足以下四个要求才能占据领导地位

GaN、4H-SiC 和 Si 的材料特性:

Material properties of GaN, 4H-SiC, and Si

为什么氮化镓器件可以替代功率 MOSFET器件

让我们看看新功率转换技术在取代硅技术时,必须应对的四个关键问题。

1. 氮化镓器件是否可支持新应用?

与最优的硅器件相比,早期的氮化镓基功率晶体管及集成电路的快速开关让它成功。硅基氮化镓场效应晶体管及集成电路的开关速度比MOSFET器件快十倍,以及比IGBT器件快100倍。诸如4G / LTE基站的RF包络跟踪、自动驾驶汽车、机器人、无人机和安全系统的光检测和测距(激光雷达)系统等应用,都是发挥高速氮化镓器件的首批实现大量投产的应用。

氮化镓晶体管不仅比硅MOSFET和IGBT更快,而且体积也小得多 — 大约小5到10 倍,以支持更多全新应用,包括机器人医疗电子卫星和无人机。

2. 氮化镓器件易于使用吗?

氮化镓晶体管(特别是增强型、常开型器件)在行为上与老化的功率 MOSFET 非常相似,因此电源系统工程师只需用最少的额外培训时间即可利用他们的经验,采用氮化镓器件来设计解决方案。单片式集成电路的最新发展使氮化镓器件比硅功率器件更简单易用。

为了帮助设计工程师加快对氮化镓器件的学习曲线,EPC公司出版了业界第一本关于氮化镓晶体管的教科书(英文和简中版)——GaN Transistors for Efficient Power Conversion。 第三版由 J. Wiley & Sons 于2019 年出版。增刊《GaN 功率器件和应用》则于2021 年出版。这些教科书可通过亚马逊和教科书零售商购买。

此外,全球100多所大学正在讲解氮化镓器件来培养下一代高技能电源系统设计师,学习如何发挥氮化镓技术的最高性能

3. 氮化镓器件比硅器件更具成本效益吗?

Comparison of GaN transistor costs and silicon MOSFETSEPC公司的氮化镓晶体管及集成电路的制造工艺跟硅基功率MOSFET的工艺相似,不同的是,制造氮化镓器件的工艺步骤更少,以及在每次制造工艺中,可以生产出更多器件。这是由于氮化镓器件比它的硅基等效器件的体积小巧很多。此外,较低压的氮化镓晶体管(低于500 V)不需要使用等效硅基器件所使用的、成本更高的封装。这个在封装方面的优势让氮化镓器件的制造成本可以降低一半,加上它具备高良率及小尺寸等优势,使得EPC公司的氮化镓晶体管与可比的(但速度更慢的、体积更大的)硅基功率MOSFET相比,前者的成本更低。

4. 氮化镓器件可靠吗?

Comparison of GaN transistor costs and silicon MOSFETS

迄今为止,已有多家氮化镓晶体管制造商报告了对其氮化镓器件进行压力测试的出色结果。EPC 一直对其器件进行各种严格的可靠性测试,包括测试元件至失效,以了解器件在数据表限值以上的工作性能,更重要的是,了解氮化镓器件的内在故障机制、器件失效的根本原因和器件在时间、温度、电气或机械应力下的行为,从而确定氮化镓器件在一般的操作条件下的安全使用寿命。

EPC 继续发布关于氮化镓器件的各种应力测试结果,其第14 阶段产品可靠性测试报告详细描述氮化镓器件的现场可靠性数据是硅功率器件无法比拟的。

氮化镓器件的其他优势

尽管上述各个因素道出氮化镓器件在功率转换领域占领导地位,但它们不是使氮化镓器件脱颖而出的所有因素。与其他技术相比,氮化镓器件具有更多其他优势。

缩小尺寸和减轻重量

氮化镓与碳化硅和硅比有什么优点 - 在相同的额定电压下,氮化镓器件的每单位面积的导通电阻值要低得多。这使得氮化镓芯片和其封装尺寸显着减小。

一平方毫米器件的理论导通电阻值与硅、碳化硅和氮化镓基功率器件的阻断电压能力的比较:

Theoretical on-resistance for a one square millimeter device vs. blocking voltage capability for Si, SiC, and GaN-based power devices

此外,从系统的角度来看,由于氮化镓器件开关快,因此可实现更高的开关频率、缩小无源元件和在某些情况下,不需依靠机械散热。采用GaN FET和集成电路可整体缩小最终解决方案和减轻其重量。

更高的功率密度和更高的效率

由于氮化镓器件显着改进开关性能和缩小尺寸,因此让多种应用实现创纪录的功率密度和效率。

其中一个范例是云计算、人工智能、机器学习和游戏应用的高密度计算应用所需的48 V电源。

具有高效率和高功率密度的转换器可以降低系统级的功耗,同时实现更小的外形尺寸。对于此应用,基于氮化镓器件的参考设计在48 V/12 V电源转换器展示了前所未有的功率密度( > 4 kW/in3),峰值效率为96.3%,而在向12 V负载提供1 kW时,效率为93.8%,模块尺寸为17.5×22.8×7.7 mm。

更好的热性能

氮化镓器件工作时的能量以热量的形式耗散。因此,器件将热量传递到周围环境的性能非常重要。与具有相同导通电阻的MOSFET器件相比,GaN FET的面积小得多,但它具有出色的绝对散热性能。事实上,芯片级氮化镓晶体管-外壳的热阻 (RθJC) 低于硅器件,因此结-外壳路径提供了良好的导热性。

Better Thermal Performance

此外,采用简单实用的散热器安装方法可提取更多热量并扩展氮化镓基设计的输出电流能力。

总结

氮化镓取代硅MOSFET的四个必要属性已经实现。但这只是氮化镓器件性能进程的开始。即使是目前市场上最新的氮化镓器件,其尺寸也比氮化镓器件理论上最小尺寸极限大300倍。

氮化镓器件的最重要机遇来自它在相同衬底上可同时集成功率级和信号级器件的固有能力,从而可影响电源转换系统性能并实现其众多的优势。自2014年以来,EPC公司一直在生产氮化镓集成电路,目标是实现GaN-on-Si单芯片系统,使客户可加入逻辑电平输入和实现高性能电源转换。 更小、更快、成本更低、集成度更高的器件……就是为您解答“为什么采用氮化镓器件?”的答案。

氮化镓半导体的应用是什么?

GaN for Aerospace and Defense

航空航天

Consumer Electronics GaN

消费电子

GaN for Medical Technologies

医疗应用技术

GaN for Communications

通信