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GaN技术杂谈

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颠覆的时机已经到来 − 氮化镓正对硅功率MOSFETs发起正面攻击

颠覆的时机已经到来 − 氮化镓正对硅功率MOSFETs发起正面攻击

11月 12, 2019

硅已经存在很久了。是时候让一个更年轻且更适合的挑战者接管半导体材料的主导地位了。

当我44年前首次开始开发功率器件时,硅功率双极晶体管是“山中之王”。1978年,国际整流器公司(IRF)推出了功率MOSFET,作为更快的替代品,用于替换较慢且老化的双极器件。功率MOSFET的早期采用者是那些双极器件速度不够快的应用。其采用的标志性例子是台式电脑的开关电源;首先在苹果,然后在IBM

GaN对硅功率MOSFETs的正面攻击

直到80年代中期,功率MOSFET的生产规模才大到足以使其成本与双极晶体管持平。当时IRF对双极晶体管发起了正面攻击。

目标对手是摩托罗拉,因为它拥有最大的双极晶体管市场份额。作为对MOSFET攻击的反应,摩托罗拉最初部署资源恐吓潜在的MOSFET用户。这些恐吓战术包括传闻的可靠性问题、高价格和不可靠的供应链。

尽管有这些攻击,功率MOSFET仍然在传统应用中获得了接受,这些应用中双极晶体管曾经占据主导地位。认识到这项新技术的优越性,摩托罗拉推出了自己的功率MOSFET,并承诺在两种技术之间保持中立——“我们两者都做,所以买我们的”是他们的战斗口号。问题是,他们并没有制造出最好的功率MOSFET,最终在这两种半导体材料之间的战争中失败了。

讽刺的是,今天功率MOSFET是“山中之王”,而GaN-on-Si功率器件则是挑战者。这些基于GaN的功率晶体管和集成电路的早期成功主要来自于GaN相对于硅的速度优势。GaN-on-Si晶体管的开关速度比MOSFET快约10倍,比IGBT快100倍。

如4G/LTE基站的射频包络跟踪和激光雷达(lidar)系统用于自动驾驶汽车、机器人、无人机和安全系统的应用是最早充分利用GaN高速开关能力的批量应用。从这些早期应用开始,生产量不断增长,现在GaN功率器件的价格已经相当于较慢、更大且老化的功率MOSFET组件(见图1)。

因此,现在是GaN的正面攻击的时候了!

图1:2019年4月分销商价格调查结果,100 V额定eGaN FET与同等额定功率MOSFET的比较。红色椭圆内是eGaN FET的价格。

GaN首次对硅MOSFET的直接竞争攻击发生在2018年末,争夺48 V DC-DC电源。由于GaN在开关性能和尺寸缩减方面的显著改进,电源设计师意识到GaN FET可以制造更高功率密度和更高效的48 V电源。这些电源在云计算、人工智能、机器学习和游戏应用等高密度计算应用中是必要的。通过简单的拓扑结构,如图2所示的使用LLC拓扑的900 W DC-DC转换器,可以实现创纪录的功率密度和效率。其功率密度约为1700 W/in3(104 W/cm3),整体效率超过98%。

图2:这款900 W DC-DC转换器在名义48 V初级侧使用EPC2053 eGaN FET,在名义12 V输出次级侧使用EPC2024 eGaN FET,效率超过98%。

然后汽车行业开始走类似的道路,为GaN功率器件开辟了另一个非常大的机会。

鉴于车辆内电子驱动功能的日益增长需求,如电动转向、电动空调、电动悬架和现代汽车和卡车内的多个USB-C充电端口,传统的14 V电力分配总线的尺寸和重量以惊人的速度增长。如今,一辆轻度混合动力车需要2到8千瓦的电力。14 V、8 kW分配系统需要导电570 A的电线。在48 V时,这个数字减少到170 A,从而节省了对重型和难以管理的线束的需求。

认识到转向48 V系统的价值,一级汽车电子制造商正在生产或计划生产48 V至14 V双向DC-DC电源,以适应这种新的电气架构,同时保持与传统14 V系统的兼容性。今天最简单、最低成本和最高效的解决方案是基于GaN FET的降压/升压转换器,如图3所示。

图3:一款97%效率的6 kW 48 V至14 V双向汽车级DC-DC降压/升压转换器,使用16个EPC的100 V eGaN FET。

对功率MOSFET的正面攻击已经开始了!

今天的GaN FET在尺寸和性能上正在快速提升。此外,目前的基准器件距离其理论性能极限还有300倍的差距。EPC已经出货GaN晶体管十年,现场经验超过1000亿小时,故障率低于成熟的功率MOSFET。

更小、更快、更可靠且价格相当……在这一点上,几乎没有理由不使用GaN FET和IC!传统的MOSFET制造商,认识到他们的产品接近性能极限,而一种可行的竞争解决方案正在获得牵引力,已经在传播模糊的警告——恐吓战术——关于可靠性问题和不可靠的供应链。他们引用过时的GaN定价和性能比较。已经从硅制造商那里重新出现了“我们可以做MOSFET或GaN,我们保持中立”的防御立场。

正如马克·吐温一个世纪前所说的,“历史不会重复,但往往押韵。”

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