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【摘要】簡(jiǎn)單回顧氮化鎵與硅基MOS管相比，氮化鎵結(jié)構(gòu)的特性。然后從消費(fèi)類(lèi)、工業(yè)領(lǐng)域以及汽車(chē)領(lǐng)域介紹了氮化鎵器件的應(yīng)用技術(shù)情況，重點(diǎn)介紹了氮化鎵當(dāng)前的主要應(yīng)用領(lǐng)域，消費(fèi)類(lèi)快充以及汽車(chē)領(lǐng)域的OBC。
一、工藝結(jié)構(gòu)特性情況
工藝結(jié)構(gòu)決定了應(yīng)用，氮化鎵HMET的結(jié)構(gòu)和硅基MOSFET相比，仍存在驅(qū)動(dòng)電壓范圍窄、價(jià)格貴等問(wèn)題。
表 1 硅基MOSFET和氮化鎵粗略對(duì)比
| 指標(biāo) | 硅基MOSFET | GaN HEMT | 氮化鎵結(jié)論評(píng)價(jià) |
|---|---|---|---|
| 開(kāi)關(guān)速度 | 慢 | 快 | 很好 |
| Rds/漏源極導(dǎo)通電阻 | 大 | 小 | 優(yōu)秀 |
| 驅(qū)動(dòng)電壓范圍/Vgs | 更廣（5-20V） | 較窄（4.5V-6.5V） | 差 |
| 雪崩效應(yīng) | 有 | 沒(méi)有 | 差 |
| 價(jià)格 | 低 | 高 | 差 |
資料來(lái)源：公開(kāi)資料應(yīng)用研究院整理
在具體應(yīng)用場(chǎng)景中，需充分利用氮化鎵器件的優(yōu)點(diǎn)，在相同價(jià)格或更高單價(jià)下，性能達(dá)到更優(yōu)。
表 2 開(kāi)關(guān)器件的硅基MOSFET與氮化鎵HEMT
| 對(duì)比項(xiàng)目 | 硅基開(kāi)關(guān) | 氮化鎵開(kāi)關(guān) |
|---|---|---|
| 時(shí)間 | 30多年工藝 | 新型器件 |
| 發(fā)展特征 | ?所有工藝問(wèn)題都已經(jīng)消除?容易理解?最優(yōu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是確定的?應(yīng)用場(chǎng)景已普及 | ?更貴?開(kāi)關(guān)速度更快?導(dǎo)通電阻低?沒(méi)有反向回復(fù)電荷?驅(qū)動(dòng)電壓范圍窄 |
30多年前，硅基MOSFET和BJT對(duì)比，存在“對(duì)噪聲敏感、更容易遭到破壞”等問(wèn)題，場(chǎng)景類(lèi)似現(xiàn)在的氮化鎵和硅基MOSFET的對(duì)比。
氮化鎵器件單價(jià)貴，是相比于硅基MOS管而言， 主要是因?yàn)榈壠骷叽绺?、效率更高，能達(dá)到硅基MOSFET不能實(shí)現(xiàn)的功能。此外，生產(chǎn)氮化鎵開(kāi)關(guān)，需要一個(gè)全新的生態(tài)系統(tǒng)，包括拓?fù)?、控制、門(mén)機(jī)驅(qū)動(dòng)以及包裝等。
氮化鎵的高頻特性使得氮化鎵器件開(kāi)關(guān)速度更快，開(kāi)關(guān)損耗更低，頻率更高。但同時(shí)，也會(huì)導(dǎo)致更大的電壓振鈴、門(mén)級(jí)信號(hào)帶來(lái)高的氮化鎵損耗甚至毀壞，因此需更高的門(mén)級(jí)電阻值。氮化鎵HEMT結(jié)構(gòu)具有更低的 低導(dǎo)通電阻 （Rds），傳導(dǎo)損耗低于硅基MOS管，可允許更大的傳導(dǎo)電流。氮化鎵HEMT結(jié)構(gòu)與硅基MOS管相比， 沒(méi)有體二極管反向回復(fù)電荷 ，減少了一個(gè)損耗來(lái)源。因此氮化鎵開(kāi)關(guān)能達(dá)到999%+的效率。氮化鎵器件的驅(qū)動(dòng)電壓范圍Vgs更窄，好處是對(duì)于4.5V到6.5V的電源是合理的，壞處就是驅(qū)動(dòng)電壓Vgs容易受線圈的自感電動(dòng)勢(shì)影響而變動(dòng)。
二、氮化鎵功率器件應(yīng)用
就氮化鎵應(yīng)用層面來(lái)講，可以分為消費(fèi)類(lèi)，工業(yè)類(lèi)和電動(dòng)汽車(chē)三大類(lèi)。因?yàn)榈壧貏e適合軟開(kāi)關(guān)，尤其是LLC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的應(yīng)用，同時(shí)氮化鎵是橫向器件，更適合中小功率的應(yīng)用。因此，消費(fèi)電子仍然是當(dāng)前氮化鎵功率元件最主要的應(yīng)用市場(chǎng)，占據(jù)了接近70%左右份額。工業(yè)類(lèi)有小規(guī)模量產(chǎn)，在新能源汽車(chē)的應(yīng)用還處于早期。
（一）消費(fèi)類(lèi)應(yīng)用
氮化鎵快充具有大功率、超級(jí)快充、輕巧便捷（體積?。﹥?yōu)勢(shì)，支持手機(jī)、平板、PC電腦、藍(lán)牙耳機(jī)、手表手環(huán)等設(shè)備充電。
1、超小型適配器（65W）
氮化鎵在快充領(lǐng)域方面，65W超小型適配器已經(jīng)實(shí)現(xiàn)市場(chǎng)化。過(guò)去幾年，各個(gè)廠商的65W超小型適配器的方案各異，包括三電平LLC，有源鉗位反激（ACF）等。甚至有公司用碳化硅做主開(kāi)關(guān)管，當(dāng)然對(duì)應(yīng)的成本也很高。
表 3 65W超小型適配器（2016~2020年）
| 品牌商****參數(shù) | 聯(lián)想 | 臺(tái)達(dá) | Finsix Dart | Zolt | 小米 | Power Gan | 小米 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) | Flyback | Flyback | 3電平LLC | ACF | Flyback | QR | ACF |
| 功率開(kāi)關(guān)管 | 硅基SJ MOS | 硅基SJ MOS | 硅基SJ MOS | 碳化硅 | 硅基SJ MOS | 氮化鎵 | 氮化鎵 |
| 尺寸/mm（不含插針） | 357430 | 306030 | 287028 | 88.93333 | 605728 | 484830 | 56.23131 |
| 重量 | 122g | 88g | 85g | 100g | 113g | 175g | 82g |
| 最大功率 | 20V/3.25A | 20V/3A | 20V/3.25A | 20V/3.5A | 20V/3.25A | 20V/3A | 20V/3.25A |
| USB-C/PD | √ | √ | × | × | √ | √ | √ |
| 功率密度W/in^3^ | 13.74 | 18.18 | 19.42 | 11.83 | 11.13 | 14.08 | 19.75 |
| 上市時(shí)間 | 2018.11 | 2018.5 | 2016 | 2016 | 2018.6 | 2019 | 2020 |
| 市場(chǎng)價(jià)/美元 | 30 | 109 | 99 | 79 | 20 | 37 | 22 |
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目前能做到的最高的功率密度是小米的ACF+平板變壓器方案。但即使如此，功率密度也沒(méi)有超過(guò)20W每立方英寸。
氮化鎵超小型65W適配器以三種方案為主。第一種是QR （準(zhǔn)諧振反激），第二種是ACF（有源鉗位反激），第三種是LLC數(shù)字控制諧振拓?fù)?。從工作頻率范圍，效率，電路調(diào)試難度，體積以及成本看，三種方案各有利弊。
表 4 氮化鎵超小型65W適配器的三種方案
| 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) | GaN主開(kāi)關(guān)數(shù)量 | 頻率范圍（KHz） | 效率 | 電路調(diào)試難度 | 帶殼體積 | 成本 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| QR（Quasi-Resonant/準(zhǔn)諧振反激） | 1 | 100~300 | ~94% | 容易 | 小 | 低 |
| ACF（Active Clamp Flyback/有源鉗位反激） | 2 | 200~400 | ~94% | 困難 | 很小 | 高 |
| LLC（數(shù)字控制諧振） | 2 | 500~1500 | ~95% | 較難 | 非常小 | 高 |
不同的方案?jìng)?cè)重點(diǎn)不同，若成本是首要因素，則優(yōu)先考慮QR（準(zhǔn)諧振反激）方案。若對(duì)體積和效率要求較高，則適用LLC數(shù)字控制諧振方案。
（二）工業(yè)領(lǐng)域
氮化鎵特別適合軟開(kāi)關(guān)，尤其是LLC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的應(yīng)用。同時(shí)氮化鎵是橫向器件，更適合中小功率的應(yīng)用，用于900V以下的領(lǐng)域。氮化鎵功率器件常用數(shù)據(jù)中心、通訊基站等設(shè)備，實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)作需要電流快速轉(zhuǎn)換。氮化鎵射頻器件在5G基站的應(yīng)用更廣泛，對(duì)于整個(gè)天線系統(tǒng)的功耗和尺寸都有巨大的改進(jìn)。
（三）汽車(chē)領(lǐng)域
碳化硅和氮化鎵能同時(shí)應(yīng)用于汽車(chē)產(chǎn)業(yè)，碳化硅在車(chē)載領(lǐng)域的可靠性上更具優(yōu)勢(shì)。但眾多廠商在汽車(chē)領(lǐng)域已經(jīng)全面布局All GaN（全氮化鎵電控系統(tǒng)）方案。
圖 1 電動(dòng)車(chē)架構(gòu)圖
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許多功率GaN廠商開(kāi)發(fā)了經(jīng)車(chē)規(guī)認(rèn)證的650V GaN器件，可用于車(chē)載充電器（OBC）和EV/HEV的DC/DC轉(zhuǎn)換，并與眾多汽車(chē)制造商建立了合作伙伴關(guān)系。
1、牽引逆變器（Traction Inverter）
GaN晶體管用于車(chē)輛中的逆變器，由AlxGa(1-x)N（x>0）組成的勢(shì)壘區(qū)與漂移區(qū)和源電極都接觸，從而改善GaN基板的散熱，可將效率提高20％，提升新能源汽車(chē)一次充電的續(xù)航里程。
但目前氮化鎵還未在新能源汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)的主逆變器（牽引逆變器）實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化，整體仍處于開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)和預(yù)演階段。
2、DC-DC轉(zhuǎn)換器
DC/DC轉(zhuǎn)換器DC/DC轉(zhuǎn)換器一端連接動(dòng)力電池，另一端連接低壓蓄電池，將能量從高壓電池包轉(zhuǎn)移至低壓蓄電池中，為汽車(chē)的空調(diào)、燈光、雨刷、防盜、音響、導(dǎo)航、電動(dòng)轉(zhuǎn)向、安全氣囊、電子儀表、故障診斷系統(tǒng)等提供12V/48V的低壓設(shè)備供電。
乘用車(chē)DC/DC功率一般在0.5-2kW之間，商用車(chē)DC/DC功率一般在1-3kW之間。DC/DC轉(zhuǎn)換器包括主電路（功率模塊）、驅(qū)動(dòng)模塊和控制模塊。使用GaN器件，可大大減少能量損失，并減小整個(gè)轉(zhuǎn)換器的尺寸和重量。與硅基MOS功率器件方案對(duì)比，使用氮化鎵器件可將整個(gè)系統(tǒng)尺寸減小75％。
3、車(chē)載充電機(jī)（On-Board Charger/OBC）
OBC是車(chē)載充電機(jī)的簡(jiǎn)稱(chēng)（On Board Charger），固定安裝在新能源電動(dòng)汽車(chē)上，OBC用于將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，因此在使用交流充電樁充電時(shí)需要新能源汽車(chē)搭載車(chē)載充電機(jī)，但如果輸入的是直流電，就不需要這種轉(zhuǎn)換。
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當(dāng)將直流快速充電樁連接到車(chē)輛時(shí)，這就會(huì)繞過(guò)OBC而將快速充電器直接連接到高壓電池。當(dāng)輸入是交流電時(shí)，交流充電樁的充電槍連接至新能源汽車(chē)的交流充電口，新能源汽車(chē)的交流充電口連著車(chē)載充電器，在電源管理系統(tǒng)（BMS）的指揮下給新能源汽車(chē)電池完成充電。
車(chē)載充電機(jī)由交流輸入端口、功率單元、控制單元、低壓輔助單元和直流輸出端口五部分組成。其中，功率單元包括輸入整流、逆變電路和輸出整流3部分，將輸入的工頻交流電轉(zhuǎn)化成適合動(dòng)力系統(tǒng)能夠接受的適當(dāng)電壓的直流電。使用GaN器件，OBC的整體尺寸能減少到原來(lái)的五分之一，充電效率可以增加98%。
氮化鎵OBC可實(shí)現(xiàn)充電速度提高三倍。
表 5 氮化鎵OBC器件和硅基MOS器件對(duì)比
| 材料 | 充電時(shí)間/小時(shí) | 能量損耗/kW | 電池成本/USD | 續(xù)航里程 |
|---|---|---|---|---|
| 硅基MOS | 11.3 | 10.5 | 10.0K | 234min |
| GaN | 4.7 | 3.0 | 9.5K | 242min |
| 氮化鎵優(yōu)勢(shì) | 快60% | 節(jié)省70%能量 | 減少5% | 久5% |
使用400V和800V電池的新能源汽車(chē)，OBC的額定功率在3.7kW和22kW之間，因此需要額定電壓分別為650V和1200V的功率半導(dǎo)體，1200V也是氮化鎵能達(dá)到的上限電壓，對(duì)于800V以上高壓電池的新能源汽車(chē)，碳化硅是不二之選。
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