Why use GaN?

為什麼使用氮化鎵(GaN)元件?

具有更快速開關速度的矽功率MOSFET在1978年推出,取替當時較慢且老化的雙極功率元件。 採用這種功率MOSFET的應用,都是速度不夠快的雙極元件所不能支援的應用,而最佳應用例子是面向桌上型電腦的開關電源。從此,MOSFET成為半導體行業的首選電源轉換元件。

瞭解推動這個轉變的動力後,讓我們進而明白到,以下四種主要因素可控制全新功率轉換技術的普及速度:

  1. 新技術是否可推動創新應用的開發?
  2. 新技術是否容易使用?
  3. 對於使用者來說,元件是否極具成本效益?
  4. 元件是否非常可靠?

目前,業界推定氮化鎵技術為替代日益老化的功率MOSFET的創新技術。但要成為半導體業界的首選技術,像所有領導技術一樣,氮化鎵技術必需符合四大要求。讓我們看看這四大關鍵屬性,從而瞭解氮化鎵技術如何符合這些要求而成為行業領先的創新技術。

新技術是否可推動創新應用的開發?

與最優的矽元件相比,早期的氮化鎵基功率電晶體及積體電路的快速開關讓它成功。矽基氮化鎵場效應電晶體及積體電路的開關速度比MOSFET元件快十倍,以及比IGBT元件快100倍。諸如4G / LTE基站的RF波峰追蹤、自動駕駛汽車、機器人、無人機和安全系統的光檢測和測距(雷射雷達)系統等應用,都是發揮高速氮化鎵元件的首批實現大量投產的應用。

氮化鎵電晶體的開關速度不僅比矽基 MOSFET和IGBT元件快很多,而且尺寸也要小得多 - 大約小5至10倍。 這使能很多應用,包括機器人技術醫療電子產品,以及衛星和無人機。

新技術是否容易使用?

氮化鎵電晶體(特別是eGaN FET)跟日益老化的功率MOSFET元件的行為非常相似,所以功率系統工程師可以在最少的額外培訓下,利用他們過往的設計經驗,便懂得如何發揮氮化鎵元件的優勢。為了幫助工程師縮短他們的學習曲線,宜普電源轉換公司(EPC)出版了業界第一本關於氮化鎵電晶體的教科書(英文版和簡中版)- «高效轉換元件–氮化鎵電晶體»。該教科書的第二版於2015年由著名的J. Wiley & Sons 出版社發行,可從亞馬遜及其他教科書零售商購買。此外,我們出版了兩本以熱點應用為主題的手冊,分別是關於在DC/DC轉換無線電源傳輸系統採用氮化鎵元件。EPC公司目前與全球超過100所大學合作,共同為下一代經驗豐富的功率系統設計工程師提供關於氮化鎵技術的培訓,從而進一步增強他們的設計經驗以發揮氮化鎵技術的最高性能。

元件是否極具成本效益?

Comparison of GaN transistor costs and silicon MOSFETSEPC公司的氮化鎵電晶體及積體電路的製程跟矽基功率MOSFET的製程相似,不同的是,製造氮化鎵元件的製程步驟更少,以及在每次製程中,可以生產出更多元件。這是由於氮化鎵元件比它的矽基等效元件的體積小巧很多。此外,較低壓的氮化鎵電晶體(低於500 V)不需要使用等效矽基元件所使用的、成本更高的封裝。這個在封裝方面的優勢讓氮化鎵元件的製造成本可以降低一半,加上它具備高良率及小尺寸等優勢,使得EPC公司的氮化鎵電晶體與可比的(但速度更慢的、體積更大的)矽基功率MOSFET相比,前者的成本更低。

元件是否非常可靠?

Comparison of GaN transistor costs and silicon MOSFETS

直至目前為止,多家氮化鎵電晶體的製造商均表示,根據內部報告,氮化鎵電晶體的操作通過了各種應力測試,代表元件非常可靠。EPC建立了嚴格的元件可靠性測試,其中包括對元件進行反覆測試,從而瞭解數據手冊所建議的與元件可以實現到的最高性能的分別。更重要的是,瞭解元件的固有失效機理。 通過瞭解這個固有的失效機理、失效的根本原因,以及元件隨時間、溫度、電氣或機械應力測試後,在一般的工作條件下,可知道產品的安全工作壽命。

宜普電源轉換公司繼續發佈氮化鎵電晶體的可靠性測試結果,其第11份產品可靠性測試報告指出,氮化鎵電晶體通過了超過1230億元件-小時的應力測試後的現場高可靠性詳情,是矽元件所不能實現的。

總結

氮化鎵元件符合以上的四大屬性,從而可以替代矽基MOSFET。

但這只是氮化鎵技術的起步點。 目前市場上最新的元件,相比工作在其理論極限下的氮化鎵元件,它們的體積大300倍。

氮化鎵元件可以提升功率轉換系統的最重要機遇,是它的固有性能,可以在相同的襯底上,集成功率級和信號級元件。宜普電源轉換公司自2014年以來生產氮化鎵積體電路,其目標是單個GaN-on-Si晶片上實現整個系統,使用者可提供邏輯電平輸入,從而實現高性能電源轉換。

體積更小、速度更快、成本更低且集成度更高……這就是“為什麼使用氮化鎵(GaN)元件?”的原因。