Why use GaN?

为什么使用氮化镓(GaN)器件?

具有更快速开关速度的硅功率MOSFET在1978年推出,取替当时较慢且老化的双极功率器件。 采用这种功率MOSFET的应用,都是速度不够快的双极器件所不能支持的应用,而最佳应用例子是面向桌面计算机的开关电源。从此,MOSFET成为半导体行业的首选电源转换器件。

了解推动这个转变的动力后,让我们进而明白到,以下四种主要因素可控制全新功率转换技术的普及速度:

  1. 新技术是否可推动创新应用开发?
  2. 新技术是否容易使用?
  3. 对于使用者来说,器件是否极具成本效益?
  4. 器件是否非常可靠?

目前,业界推定氮化镓技术为替代日益老化的功率MOSFET的创新技术。但要成为半导体业界的首选技术,像所有领导技术一样,氮化镓技术必需符合四大要求。让我们看看这四大关键属性,从而了解氮化镓技术如何符合这些要求而成为行业领先的创新技术。

新技术是否可推动创新应用开发?

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。

氮化镓晶体管的开关速度不仅比硅基 MOSFET和IGBT器件快很多,而且尺寸也要小得多 - 大约小5至10倍。 这使能很多应用,包括机器人技术医疗电子产品,以及卫星和无人机。

新技术是否容易使用?

氮化镓晶体管(特别是eGaN FET)跟日益老化的功率MOSFET器件的行为非常相似,所以功率系统工程师可以在最少的额外培训下,利用他们过往的设计经验,便懂得如何发挥氮化镓器件的优势。为了帮助工程师缩短他们的学习曲线,宜普电源转换公司(EPC)出版了业界第一本关于氮化镓晶体管的教科书(英文版和简中版)- «高效转换器件–氮化镓晶体管»。该教科书的第二版于2015年由著名的J. Wiley & Sons 出版社发行,可从亚马逊及其它教科书零售商购买。此外,我们出版了两本以热点应用为主题的手册,分别是关于在DC/DC转换无线电源传输系统采用氮化镓器件。EPC公司目前与全球超过100所大学合作,共同为下一代经验丰富的功率系统设计工程师提供关于氮化镓技术的培训,从而进一步增强他们的设计经验以发挥氮化镓技术的最高性能。

器件是否极具成本效益?

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。

器件是否非常可靠?

Comparison of GaN transistor costs and silicon MOSFETS

直至目前为止,多家氮化镓晶体管的制造商均表示,根据内部报告,氮化镓晶体管的操作通过了各种应力测试,代表器件非常可靠。EPC建立了严格的器件可靠性测试程序,其中包括对器件进行反复测试,从而了解数据手册所建议的与器件可以实现到的最高性能的分别。更重要的是,了解器件的固有失效机理。 通过了解这个固有的失效机理、失效的根本原因,以及器件随时间、温度、电气或机械应力测试后,在一般的工作条件下,可知道产品的安全工作寿命。

宜普电源转换公司继续发布氮化镓晶体管的可靠性测试结果,其第11份产品可靠性测试报告指出,氮化镓晶体管通过了超过1230亿器件-小时的应力测试后的现场高可靠性详情,是硅器件所不能实现的。

总结

氮化镓器件符合以上的四大属性,从而可以替代硅基MOSFET。

但这只是氮化镓技术的起步点。 目前市场上最新的器件,相比工作在其理论极限下的氮化镓器件,它们的体积大300倍。

氮化镓器件可以提升功率转换系统的最重要机遇,是它的固有性能,可以在相同的衬底上,集成功率级和信号级器件。宜普电源转换公司自2014年以来生产氮化镓集成电路,其目标是单个GaN-on-Si芯片上实现整个系统,用户可提供逻辑电平输入,从而实现高性能电源转换。

体积更小、速度更快、成本更低且集成度更高……这就是“为什么使用氮化镓(GaN)器件?”的原因。