（文/程文智）近幾年碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)等第三代半導體異?；馃?，國內(nèi)外很多半導體企業(yè)都涌入其中。據(jù)Yole Développement統(tǒng)計，2021全球GaN功率器件市場規(guī)模為1.26億美元，預計2021~2027年期間復合年增長率為59%，2027年全球市場規(guī)模高達20億美元，這主要得益于四大潛力市場的助力。

圖：2021~2017年GaN功率器件市場規(guī)模（來源：Yole）

四大潛力應用助力GaN市場騰飛

哪些應用的增長，讓GaN市場規(guī)模能夠以如此快的速度成長呢？在Cambridge GaN Devices（簡稱：CGD）公司亞太區(qū)銷售副總裁Carryll Chen看來主要有四大應用，分別是消費類應用、數(shù)據(jù)中心與通信電源、光伏等工業(yè)類應用，以及汽車類應用。

首先是消費類應用，這是GaN器件最開始大規(guī)模出貨的市場，現(xiàn)在搭載GaN器件的PD充電器，尤其是第三方的充電器已經(jīng)非常流行。接下來，GaN還會繼續(xù)滲透到其他消費類應用中，比如顯示器、游戲主機電源、低噪聲D類音頻放大器等。據(jù)Carryll Chen介紹，以前的顯示器電源大概是50W，但如今的大尺寸顯示器電源已經(jīng)來到了200W，因此采用GaN愿望越來越強烈，目前已經(jīng)有廠商在評估了；而低噪聲D類音頻放大器則主要用于高端音響中，因為GaN器件可以實現(xiàn)更理想的性能，而且抑制性能會更好。

二是數(shù)據(jù)中心與通信電源類應用。隨著信息傳輸?shù)臄?shù)量和速度越來越高，數(shù)據(jù)中心消耗的能源也越來越大?，F(xiàn)在各國的法規(guī)都致力于在同樣的體積下不斷提升功率密度，而GaN在提升功率密度方面非常有優(yōu)勢，因此，這些年來，越來越多的服務器和數(shù)據(jù)中心廠商開始導入采用GaN器件的高效率、高功率密度電源。

圖：Cambridge GaN Devices公司亞太區(qū)銷售副總裁Carryll Chen

三是可再生能源與光伏等工業(yè)類應用。據(jù)Carryll Chen透露，目前已經(jīng)有不少微型逆變器產(chǎn)品開始導入GaN器件了。當然，除了個人用或家庭用的光伏逆變器，還有儲能系統(tǒng)也是一個增長不錯的潛力市場。另外，工業(yè)類的應用，也包括馬達驅(qū)動以及軌道電源等工業(yè)類電源產(chǎn)品。她談到，雖然工業(yè)類的應用起步比較慢，但今年的導入速度非?？?，未來的滲透率值得期待。

四是汽車類應用。這是未來最有發(fā)展?jié)摿Φ囊粋€市場，GaN可以用在電動汽車的牽引逆變器、電機控制與驅(qū)動、車載充電機（OBC）、DC/DC轉(zhuǎn)換器、激光雷達上的電源模塊、汽車座艙內(nèi)的無線充電等場景中，不過由于汽車類應用大都與人身安全有很大的關(guān)系，所以大規(guī)模應用到汽車上還需要等待一段時間。畢竟安全驗證是需要時間的。但這的確是一個趨勢，值得關(guān)注。

易用和可靠性是GaN市場騰飛的關(guān)鍵

前面談到了四大類應用將會是未來GaN市場規(guī)?？焖僭鲩L的最大驅(qū)動力來源，但其實，不同類型的應用對GaN器件的需求是不一樣的，從效率、容易使用、可靠性、尺寸，甚至是成本方面來考量的話，消費類應用由于設(shè)計周期非常短，用量很大，因此，對使用者來說，他們最希望拿到一個非常簡單，易于使用的器件，而且尺寸要小，成本要有競爭力。

而對數(shù)據(jù)中心類應用來說，他們對效率和可靠性的要求更加嚴苛。畢竟消費類的充電器萬一壞了，影響的可能是個人無法充電而已，但數(shù)據(jù)中心，如果一個器件發(fā)生了故障，影響的可能是整個服務器的運作，或者數(shù)據(jù)的損毀。

到汽車類應用的話，可靠性的要求就更高了，畢竟它直接關(guān)系到人身安全了。

綜合來看，易用性和可靠性是GaN器件能否大規(guī)模被市場采用的關(guān)鍵。那么，如何才能做到易用和可靠呢？畢竟GaN的gate耐壓不高，很容易誤導通和開關(guān)，甚至容易發(fā)生“炸機”事件。加上GaN材料的特性，其切換速度非?？欤詃v/dt帶來的噪聲也比MOSFET高很多。要想做到跟MOSFET一樣方便易用，其實是很困難的。

CGD通過先進設(shè)計，大幅提升GaN可靠性與易用性

CGD是一家Fabless半導體公司，致力于開發(fā)一系列節(jié)能的GaN功率器件，目標是實現(xiàn)更加環(huán)保的電子產(chǎn)品，其兩位創(chuàng)始人均來自英國劍橋大學，其中首席執(zhí)行官Giorgia Longobardi博士此前在劍橋大學工程系領(lǐng)導 GaN 功率器件團隊，在GaN領(lǐng)域有12年的研發(fā)經(jīng)驗，首席技術(shù)官（CTO）Florin Udrea則是劍橋大學功率半導體教授，擁有超過150項專利。在他們兩位指導下研發(fā)出來的ICeGaN?系列產(chǎn)品則兼具可靠性和易用性兩大特點。

為了克服GaN的使用挑戰(zhàn)，讓GaN更容易驅(qū)動，業(yè)內(nèi)GaN廠商想了很多辦法，比如有使用Cascode架構(gòu)驅(qū)動GaN器件，以避免柵極耐壓太低的問題；也有將柵極驅(qū)動器集成到GaN內(nèi)部，通過外部的控制信號，讓內(nèi)部的GaN驅(qū)動器直接去驅(qū)動GaN；“但這些方式都各有利弊?！?Carryll Chen對電子發(fā)燒友網(wǎng)表示，第一種解決方案需要負驅(qū)動電壓，以限制高dv/dt瞬態(tài)期間HEMT的虛假關(guān)斷事件；而柵極驅(qū)動器完全集成的解決方案，雖然減少了寄生效應帶來的影響，但卻失去了使用低成本、高性能硅基驅(qū)動器的靈活性。此外，由于片上熱耦合會導致功率器件自發(fā)熱，柵極驅(qū)動器會有額外的損耗。

而CGD則另辟蹊徑，不是將柵極驅(qū)動器完全集成，而是利用內(nèi)置的邏輯電路去控制電壓，達到簡化驅(qū)動電路的目的。因為在 Carryll 看來，如果想要讓一個GaN器件變得比較好設(shè)計，或者比較好使用的話，最好的辦法就是想辦法讓GaN驅(qū)動起來就像一個MOSFET，畢竟MOSFET已經(jīng)使用非常久了，大部分的工程師都熟悉。

CGD的ICeGaN的驅(qū)動方式就與MOSFET類似，不同于其他的增強型GaN解決方案，ICeGaN與任何硅基驅(qū)動器都能兼容。再加上ICeGaN器件具有較高的閾值電壓，Vth≈3V，可抑制與dV/dt相關(guān)的虛假導通事件，從而使操作更加安全。此外，ICeGaN 器件可以使用高達20V的柵極電壓驅(qū)動（遠遠超過 p-GaN HEMT的標準電壓7V），而不會影響器件的跨導或動態(tài)性能。

圖：ICeGaN H2系列器件內(nèi)部框圖（來源：CGD）

根據(jù)ICeGaN器件的內(nèi)部框圖，內(nèi)置的鉗位電路能夠?qū)斎霒艠O信號控制在5.5V左右，來使內(nèi)部GaN HEMT完全導通。除此之外，它其實還有溫度補償?shù)墓δ茉诶锩?，在柵極與源極之間加入的米勒鉗位電路，可以用最短的路徑避免dv/dt造成的影響，實現(xiàn)0V關(guān)斷。與常用的外部放電電路相比，CGD可以在內(nèi)部晶圓上實現(xiàn)最短路徑，會有更好的表現(xiàn)。

像CGD這樣只集成部分電路，而不是將整個驅(qū)動器都集成到芯片內(nèi)部帶來的好處是，由于驅(qū)動電流還是來自外部的驅(qū)動器，CGD可以直接使用Ron或Roff去控制充放電電流，調(diào)整器件的dv/dt斜率。外部驅(qū)動線路會非常接近MOSFET。唯一的差異就是CGD目前還是需要外接VDD用來設(shè)定一些參考電壓，做一些 enable、disable和 detection的監(jiān)測功能。因此，ICeGaN器件還是需要給VDD供電，未來，CGD會努力實現(xiàn)GaN和MOSFET的無痛轉(zhuǎn)換。

目前的研究顯示，GaN器件的柵極耐壓其實跟溫度和頻率有很大的關(guān)系，尤其是GaN HEMT的柵極耐壓最大值只有7V時，在低溫下，如果耐壓降低了，驅(qū)動時的雜散信號很可能會把GaN的柵源極擊穿，或是造成生命周期的減少。為了讓ICeGaN器件更加穩(wěn)健，讓它能夠在不同溫度環(huán)境下，都能保持良好運作，CGD在鉗位電路里面，額外增加了溫度補償。因此，ICeGaN器件內(nèi)部的鉗位電路會隨著溫度的不同而改變，比如在25℃時，內(nèi)部鉗制在5.5V，而在0℃時，鉗制電壓值會跟著降低，以保證GaN的柵極不會被擊穿。當GaN器件啟動后，溫度慢慢提升之后，內(nèi)部的鉗位電路的電壓會往上提高，不會因為此功能而影響到效率表現(xiàn)。

具體產(chǎn)品方面，CGD在PCIM Europe期間推出的第二代ICeGaN 650V氮化鎵HEMT系列產(chǎn)品，采用了CGD的智能柵極接口，幾乎消除了典型e-mode GaN的各種弱點，大幅加強了柵極電壓耐用性，可提供更高的噪聲抗擾閾值，以及提升dv/dt抑制和ESD保護效果。新型 650 V H2 ICeGaN 晶體管與前代器件相同，驅(qū)動電壓范圍與硅基MOSFET相同，驅(qū)動電路也非常接近，無需復雜低效的電路，并可兼容市場上普遍使用的硅基MOSFET柵極驅(qū)動器。另外，與硅器件相比，H2 ICeGaN HEMT 的 Q_G 低10倍，Q_OSS低5倍，這使得 H2 ICeGaN HEMT在高開關(guān)頻率下能大幅降低開關(guān)損耗，并縮小尺寸，減輕重量。這使得其效率和效能在同類產(chǎn)品中更具優(yōu)勢，在SMPS應用中，比業(yè)界出色的硅基MOSFET的性能要高出2%。

由此可見，CGD的GaN器件不僅解決了目前GaN技術(shù)的發(fā)展的瓶頸，也克服了減緩采用GaN新型技術(shù)的挑戰(zhàn)，同時，還能沿用傳統(tǒng)MOSFET的驅(qū)動設(shè)計，幫助終端廠商從MOSFET無痛轉(zhuǎn)換到GaN，快速搶占寬禁帶半導體市場商機。

結(jié)語
GaN可以說是當今功率電子領(lǐng)域最引人注目的材料，有助于開發(fā)出功率密度更大、導通電阻更低、頻率響應更高的高壓器件。隨著市場對高效率和高功率密度需求的提升，以及未來四大潛力應用的驅(qū)動，加上更多簡單易用，可靠性更高的GaN器件的推出，相信GaN市場在未來幾年會迎來高速騰飛。


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