直到1980年代中期,功率MOSFET的生產規模才足以使其成本與雙極性晶體管相當。當時,IRF對雙極性晶體管發起了正面攻擊。
目標對手是摩托羅拉,因為他們擁有最大的雙極性晶體管市場份額。作為對MOSFET攻擊的反應,摩托羅拉最初部署資源來恐嚇潛在的MOSFET用戶。這些恐嚇策略包括謠言說MOSFET有可靠性問題、價格高昂以及供應鏈不可靠。
儘管遭受這些攻擊,功率MOSFET仍然在傳統應用中獲得了接受,這些應用此前一直由雙極性晶體管主導。認識到這種新技術的優越性,摩托羅拉推出了自己的功率MOSFET,並承諾在兩種技術之間保持中立——“我們兩種都做,所以從我們這裡購買”是他們的戰鬥口號。問題是,他們並沒有製造出最好的功率MOSFET,最終在這兩種半導體材料的戰爭中敗北。
諷刺的是,今天功率MOSFET是“山中之王”,而矽上的GaN功率器件是挑戰者。這些基於GaN的功率晶體管和集成電路的早期成功最初來自於GaN與矽相比的速度優勢。GaN-on-Si晶體管的開關速度比MOSFET快約10倍,比IGBT快100倍。
應用如4G/LTE基站的RF包絡跟踪和自動駕駛汽車、機器人、光檢測和測距(激光雷達)系統、無人機和安全系統是第一批完全利用GaN高速開關能力的批量應用。自這些早期應用以來,生產量不斷增長,如今GaN功率器件的價格與速度較慢、體積更大的老化功率MOSFET元件相當(見圖1)。
因此,現在是GaN的正面攻擊時候了!
圖1:2019年4月分銷商價格調查結果,100 V額定的eGaN FET與等效額定的功率MOSFET的價格對比。紅色橢圓內是eGaN FET的價格。
GaN對矽MOSFET的第一次直接競爭攻擊發生在2018年底,目標是48 V DC-DC電源。由於GaN在開關性能和尺寸減小方面的顯著改進,電源設計師意識到GaN FET可以製造更高功率密度和更高效率的48 V電源,這些電源在雲計算、人工智能、機器學習和遊戲應用中的高密度計算應用中是必需的。使用圖2中顯示的900 W DC-DC轉換器等簡單拓撲結構,可以實現大約1700 W/in3(104 W/cm3)的功率密度和超過98%的整體效率。
圖2:這款900 W DC-DC轉換器在48 V名義初級側使用EPC2053 eGaN FET,在12 V名義輸出次級側使用EPC2024 eGaN FET,效率超過98%。
然後,汽車行業開始遵循類似的路徑,為GaN功率器件開闢了另一個非常大的機會。
鑑於現代汽車和卡車中電子驅動功能(如電動轉向、電動空調、電動懸掛和多個USB-C充電端口)的需求不斷增長,傳統的14 V配電總線的尺寸和重量正在以驚人的速度增長。今天,一輛輕度混合動力汽車需要2至8 kW的電力。一個14 V、8 kW的配電系統需要導線來傳輸570 A的電流。在48 V下,這個數字減少到170 A,這節省了需要重而難以管理的線束的需求。
認識到轉向48 V系統的價值,Tier-1汽車電子製造商正在生產或計劃生產48 V-14 V雙向DC-DC電源,以適應這種新電氣架構,同時保持與舊有14 V系統的兼容性。今天,最簡單、成本最低且效率最高的解決方案是如圖3所示的基於GaN FET的降壓/升壓轉換器。
圖3:一款97%效率的6 kW 48 V-14 V雙向汽車級DC-DC降壓/升壓轉換器,使用了16個EPC的100 V eGaN FET。
對功率MOSFET的正面攻擊已經開始!
今天的GaN FET在尺寸和性能上快速改進。此外,當前的標杆器件距其理論性能極限還有300倍的差距。EPC已經出貨GaN晶體管十年,擁有超過100億小時的現場經驗,故障率比成熟的功率MOSFET還低。
更小、更快、更可靠且價格相當……在這一點上,幾乎沒有理由不使用GaN FET和IC!現有的MOSFET製造商認識到他們的產品已接近性能極限,而一個可行的競爭解決方案正在獲得牽引力,已經開始廣播模糊的警告——恐嚇策略——關於可靠性問題和不可靠的供應鏈。他們引用過時的GaN價格和性能比較。現有矽製造商已經重現了“我們可以做MOSFET或GaN,我們保持中立”的防禦立場。
正如馬克·吐溫一個世紀前所說的,“歷史不會重演,但往往會押韻。”