電子發(fā)燒友網(wǎng)報道（文/李誠）在“雙碳”的發(fā)展趨勢下，能源轉(zhuǎn)換效率已成為各行各業(yè)關注的焦點。據(jù)國家統(tǒng)計局公開信息顯示，2020年城鄉(xiāng)居民總用電量10949億kWh，單戶家庭年平均用電量780kWh。以能源轉(zhuǎn)換效率提升1%為例，全國一年可節(jié)省電量109.5億kWh，節(jié)省下來的電量可供單戶居民用電1400萬年。換算成電動車行駛里程數(shù)，可供Model S充電1.68億次，行駛里程672億公里，由此可見提升轉(zhuǎn)換效率的重要性。

氮化鎵對“雙碳”起到什么作用？

“雙碳”提出的重點是解決能源問題，而能源的重點就是電力，氮化鎵作為高轉(zhuǎn)換效率寬禁帶半導體材料的代表，應用于輸配電、用電、儲能等各個環(huán)節(jié)中意義重大。低開關損耗特性使得氮化鎵功率器件更有利于節(jié)能減排，高頻的特點也推動了系統(tǒng)向高功率密度的發(fā)展。氮化鎵已成為了綠色經(jīng)濟發(fā)展的驅(qū)動力，在雙碳的背景下，氮化鎵逐漸與更多產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生交匯點。

氮化鎵有高光效、高功率、高頻率、耐高溫，在相同功率下氮化鎵比硅基產(chǎn)品體積小等多個特點，在碳中和、碳達峰的推動下在照明、電機驅(qū)動、數(shù)據(jù)中心、汽車、風光電儲等領域得到了充分應用。在構(gòu)建高效的能源系統(tǒng)，控制化石能源總量方面起到了重要作用。

成本降低、工作電壓提高，氮化鎵上車持續(xù)加速

隨著化石能源日益枯竭與綠色產(chǎn)業(yè)的興起，新能源汽車已成為未來的主要發(fā)展趨勢，但由于經(jīng)過多年的發(fā)展，硅功率半導體的潛在性能已被開發(fā)至瓶頸，需要更高效的功率半導體材料來提升新能源汽車的性能。在高效、低能耗、高功率密度方面，氮化鎵恰好能滿足這一要求。

盡管氮化鎵功率器件集合了多種高性能的特性，但在汽車的應用中依然會面臨一些問題。根據(jù)氮化鎵目前的技術(shù)水平和材料特性來看，氮化鎵功率器件主要應用在800V以下的中低壓領域，與汽車逆變器應用的高壓需求存在著些許差距。

今年4月，比利時的IMEC研究實驗室通過1200V GaN-on-QST外延技術(shù)，成功將氮化鎵的工作電壓提升至1200V。該技術(shù)主要是在200mm QST襯底上為橫向晶體管加入了更厚的外延 氮化鎵緩沖層，可用于1200V的汽車應用中，并且通過這一技術(shù)還將氮化鎵功率器件的硬擊穿電壓提升至了1800V，打破了氮化鎵只適用于中低壓應用的思維桎梏，極大地提高了功率器件工作的穩(wěn)定性。

據(jù)IMEC的高級業(yè)務開發(fā)經(jīng)理Denis Marcon表示，這款功率器件最關鍵的一點是：可在200mm晶圓廠中采用COMS工藝進行大批量的生產(chǎn)，極具成本優(yōu)勢。

高壓氮化鎵得以驗證，有望成為開關電源的首選

圖源：GaNPower

今年10月，GaNPower正式向外界展示了首款1200V單芯片E型氮化鎵功率器件，并將該功率器件中在7A/800V的雙脈沖測試板上進行了功率開關的驗證。該系列芯片提供了兩種封裝方式，以滿足不同的應用需求，GPIHV30DFN采用的是8*8 DFN的內(nèi)置引腳封裝，GPIHV30DDP5L采用的是TO263-5封裝。由于GPIHV30DFN采用的是DFN的封裝方式，為保證功率器件在高壓狀態(tài)下開關的可靠性，GaNPower將S-D爬電距離設置為2.8mm，保留了充足的安全距離。同時，GPIHV30DDP5L封裝采用了GaNPower獨特的專利設計，為器件加入了凱文接線和小型輸入電容，用以降低浪涌電壓。

該系列芯片的額定擊穿為1200V，GaNPower為保證芯片工作的穩(wěn)定性，在芯片設計時提高了150V的電壓裕量，避免在工作過程中出現(xiàn)瞬態(tài)尖峰擊穿元件。同時，該系列芯片的導通電阻Rds為60Ω，并通過低導通電阻的方式降低系統(tǒng)損耗，提高系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率。

在汽車應用中，汽車的直流母線電壓通常在700~800V之間，功率器件的額定電壓需要達到1200V，該系列芯片恰好滿足這一要求。據(jù)GaNPower官方表示，該系列氮化鎵功率器件的開關速度比碳化硅功率器件快10倍，非常適用于構(gòu)建電動汽車車載充電器和電機驅(qū)動的功率轉(zhuǎn)換器，從而提高電動汽車續(xù)航里程，減少碳排放。

伴隨著氮化鎵市場的逐漸擴大，有更多的廠商帶著價格更低的硅基氮化鎵進入市場，加上工藝的升級，氮化鎵工作額定電壓得以提高，氮化鎵有望成為工作電壓為20V至1200V應用的首選。

97.5%效率的48V DC/DC轉(zhuǎn)換器

10月，GaN Systems和EPowerlabs通過合作，共同推出了基于氮化鎵48V移動應用的DC/DC轉(zhuǎn)換器DDC48-1K。

圖源：GaN Systems

DDC48-1K是一款可在消費、工業(yè)和汽車領域應用的48V DC/DC電源轉(zhuǎn)換器，采用了GaN Systems 100V的氮化鎵功率晶體管GS61008P，GS61008P采用了獲得專利的Island Technology和GaNPX封裝，其中Island Technology技術(shù)能夠提高芯片的電流流通量，GaNPX技術(shù)能夠?qū)⑿酒⌒突耐瑫r，降低系統(tǒng)的寄生參數(shù)，將開關損耗降低了50%，提升系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率，從而實現(xiàn)電能利用率的最大化。

據(jù)官網(wǎng)數(shù)據(jù)顯示，DDC48-1K的直流輸入電壓區(qū)間為24V~60V，額定輸出功率可高達1000W。在一般工作狀態(tài)下系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率能保持在95%以上，在滿載運行時，系統(tǒng)效率可提升至97.5%，高出同類轉(zhuǎn)換器效率的4%。同時這款電源轉(zhuǎn)換器通過氮化鎵高效、小尺寸的特性，經(jīng)體積壓縮至傳統(tǒng)轉(zhuǎn)換器的1/3，設備功率密度提升至28W/in3，解決了在移動應用中，空間小的物理極限。在重量方面，由于采用了無外殼的設計，再加上基于氮化鎵高效的特性，使得元器件用量大幅降低，產(chǎn)品重量僅為345g，相同功率的冷風DC/DC電源轉(zhuǎn)換器重約750g，兩者相比DDC48-1K更輕。

高效、高功率密度和質(zhì)量更輕的氮化鎵電源轉(zhuǎn)換器，非常適用于優(yōu)化電動汽車、工業(yè)電動運輸設備和機器人等應用的電力系統(tǒng)，從而提升能源利用率，實現(xiàn)節(jié)能減排的目的。

結(jié)語

在“雙碳”的背景下，新能源汽車、光伏逆變器、充電樁等綠色能源產(chǎn)業(yè)規(guī)模不斷擴大，市場對高效的功率器件需求大幅提升。隨著氮化鎵工作電壓的提升，應用領域也得以拓展，加上低成本的硅基氮化鎵進入市場，氮化鎵替代成本較高的碳化硅已成為可能，市場上升空間巨大。