氮化镓（GaN）作為一種先進的第三代半導體材料，以其優異的特性，在射頻器件、光電器件、功率器件等領域展現出強大的競争力和發展潛力。尤其在功率器件方面，近年來氮化镓已實作顯著的商業化進展，其應用已經不再局限于PD快充等消費電子，而是向高功率市場持續推進。
D-mode GaN在高功率市場的優勢
提到氮化镓功率器件，就不得不提到其主要的兩種技術路線，按照栅極特性差異，氮化镓分為常開的耗盡型（D-mode）和常關的增強型（E-mode）兩種類型。 由于常開的D-mode GaN本身無法直接使用，需要通過增加外圍元器件的方式，将D-mode GaN從常開型變為常關型，主要包括級聯（Cascode）和直驅（Direct Drive）兩種技術。其中，級聯型D-mode GaN更為主流，通過利用低壓Si MOSFET的開關帶動整體的開關，進而将常開型變為常關型，進而以一種純原生、高性能的形式來利用氮化镓。 不同于級聯型 D-mode GaN通過級聯低壓Si MOSFET來實作常關型，E-mode GaN直接對栅極進行p型摻雜來修改能帶結構，改變栅極的導通門檻值，進而實作常關型器件，但氮化镓的部分天然優勢就會受到負面影響，如： ①基于p-GaN結構的栅極容易損壞。完全增強溝道需要施加6V的電壓，而一旦電壓達到7V，就會變得電應力過大，進而發生失效。 ②門檻值電壓（Vth）不穩定，導緻每個開關周期都會發生開關動态導通電阻變化（~30%）。 ③從25°C-150°C的電阻溫度系數（TCR）為2.6，相比常關型D-mode GaN要高，會導緻額外的傳導損耗。 ④E-mode GaN的電子遷移率和跨導随溫度升高而下降，進而降低其飽和電流能力。 此外，D-mode GaN常閉平台非常适合各種标準封裝，例如通孔、表貼、多晶片子產品等，這些封裝本身具有高性能和高可靠性，增加了氮化镓平台本身的性能和可靠性。 值得一提的是，級聯型D-mode GaN是通過利用低壓Si MOSFET的開關帶動整體的開關，盡管驅動電路和Si MOSFET相同，但由于級聯架構的D-mode GaN的開關頻率和速度遠高于傳統的Si MOSFET，是以要求驅動IC能夠在很高的dv/dt環境下正常工作。 作為高壓功率轉換應用的氮化镓（GaN）産品開發上司者，Transphorm提供高性能高可靠的GaN場效應半導體産品，并為不斷增長的客戶群提供易于使用的GaN場效應半導體解決方案，擁有超過1000項專利。 Transphorm業務拓展及市場營銷進階副總裁Philip Zuk接受與非網記者采訪時表示：“級聯型D-mode GaN要求驅動IC的共模瞬态抗擾度（CMTI）規格至少為100V/ns，目前大多數驅動器提供的CMTI數值都符合要求。其實高dv/dt環境中使用E-mode GaN時也有局限性，E-mode GaN器件需采用低栅極關斷電阻。這樣又會限制轉換速率控制，因為需要確定通過栅漏電容的電流不會在高dv/dt事件中打開栅極。高功率市場的客戶均想方設法降低成本、降低功耗、并提高器件的長期可靠性，以獲得競争優勢。E-mode GaN受到基礎實體因素的限制，性能下降，可靠性打折，是以主要為低功率應用。”
Transphorm業務拓展及市場營銷進階副總裁Philip Zuk
“另外，與碳化矽不同，驅動氮化镓技術的優勢在于無需高電流栅極驅動器。在大多數情況下，由于栅極電荷規格較低，是以500mA的驅動電流便足以驅動氮化镓。相較于碳化矽，栅極驅動器損耗可以降低4倍，這在進行零電壓和零電流開關時非常重要。”Philip Zuk補充道。
從PD快充到高功率市場
目前氮化镓功率器件在消費電子快充市場得到了廣泛應用，特别是在智能手機和筆記本電腦的充電器中，由于氮化镓器件能夠在提高效率的同時減小體積，這使得快充裝置更加便攜和高效。随着長時間的市場培育，很多氮化镓廠商都開始陸續釋出了自己的高功率産品，尤其是D-mode GaN類型，已經在光伏新能源、資料中心、電動汽車等應用上實作突破。新能源領域氮化镓技術在光伏領域的應用正逐漸成熟，通過提高逆變器的效率和可靠性，氮化镓器件有助于提升整個太陽能光伏系統的性能。 值得關注的是，DAH Solar（大恒能源）在其專為小型分布式光伏（工商業和戶用）開發的标準化系統産品中，包括DC-DC 和 DC-AC端，采用了 Transphorm 的 150 mΩ 和 70 mΩ 的D-mode GaN，充分發揮出氮化镓材料的固有優勢，最高功率輸出1500 W，對應峰值效率為97.55%。 與目前常用的矽基解決方案相比，氮化镓器件能做到更高的開關頻率和功率密度，有助于生産出更小、更輕、更可靠的太陽能電池闆系統，同時還能以更低的能耗提供更高的總發電量。随着技術的不斷進步和成本的降低，預計氮化镓将在光伏市場中發揮更加重要的作用，推動可再生能源的發展。資料中心領域随着文字生成視訊模型Sora的推出，人工智能再一次成為人們關注的焦點。根據國際能源署的資料，全球資料中心用電約占全球用電量的1-1.5%，人工智能的繁榮可能推動這一數字大幅攀升。 過去，伺服器電源的PFC和DCDC主級與次級側隻能選用基于矽技術的超結MOSFET、中低壓MOSFET如OptiMOS，以及矽二極管。但是随着第三代半導體技術的成熟，碳化矽和氮化镓逐漸在伺服器電源中開始取代矽器件。 根據伺服器電源AC/DC的電壓以及對開關頻率和效率的要求，伺服器電源的PFC也是氮化镓的重要應用領域。與矽MOSFET相比，氮化镓的栅極電容和輸出電容更小，導通電阻較低，反向恢複電荷很小，是以開關損耗和導通損耗較低。另外，氮化镓可以實作高于矽MOSFET和碳化矽MOSFET的開關頻率，可以采用較小的電感，實作緊湊的系統體積和更高的功率密度。 另外，在PFC和高壓DC/DC中采用氮化镓作為開關器件，則AC/DC系統的體積可以大大縮小。 Philip Zuk表示：“氮化镓可以支援80Plus钛金級電源，提高用電效率和功率密度，同時降低冷卻要求。Transphorm的氮化镓器件現已用于3kVA和2.2kVA資料中心不間斷電源。考慮到目前的機架功率平均約為15-16kW，資料中心減半使用改造的1U 3kVA UPS便可滿足目前的機架功率需求，未來還可以将功率擴充2倍至30-32kW。”電動汽車領域制造電動汽車的成本比燃油汽車高40%，電池是總成本中比較昂貴的部分，相關半導體器件也增加了電池系統的費用。是以，在不損及性能或可靠性的情況下，降低半導體成本能夠帶來極大的優勢。正因為如此，電動汽車制造商在積極的調查研究氮化镓器件，希望将來用它來取代碳化矽。 氮化镓的關鍵優勢包括制造方案成本低而良率高，并且在更高的工作頻率下具備更高的性能。例如，車載充電器（OBC）的DC-DC功率級通常使用軟開關拓撲結構，如CLLLC諧振雙有源橋，采用氮化镓使得這種拓撲結構能夠在更高的頻率下工作，減小隔離變壓器的尺寸并降低其成本，讓電源變得更小、更輕、更具成本效益。氮化镓器件還有助于實作雙向運作模式，提供電動汽車基礎設施所需的高性能V2G（汽車到電網）解決方案。 目前已有相關廠商開發了650V 級聯型D-mode GaN FETs，應用于OBC和高壓DC-DC轉換，不過氮化镓的汽車應用還處于早期階段，預計到2025年左右，會小批量地滲透到低功率的OBC和DC-DC中。目前電動汽車領域的氮化镓器件的可靠性仍然處于調查研究階段，Transphorm供應的氮化镓器件擁有超過3000億小時的現場可靠性資料，FIT故障率也低于每10億小時0.05個器件，在高功率氮化镓領域相對領先。
寫在最後
值得指出的是，氮化镓技術在高功率的應用上也存在一些問題，如：高功率通常伴随着較高的熱量産生，需要確定氮化镓器件能夠有效地散熱，防止過熱導緻的性能降低或器件損壞；許多高功率應用都采用硬開關，硬開關的可靠性必須能夠得到保證；氮化镓器件在高頻開關時可能會産生較高的電磁幹擾，為了確定系統的穩定性和可靠性，需要采取措施減少EMI。 隻有解決了這些問題，氮化镓才能擁有更廣泛的應用領域，目前氮化镓的高功率市場應用還處于0-1的過程，未來還将持續增長，值得行業期待。