如何將化鎵器件耐壓提升到更高水平

最近，Power Integrations針對(duì)氮化鎵（GaN）的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了一場(chǎng)精彩的直播活動(dòng)，旨在向觀眾們深入解析這一領(lǐng)域的最新動(dòng)態(tài)。

本次直播為Power Integrations的高層一起討論氮化鎵的發(fā)展歷程。他們（從右到左）分別為技術(shù)副總裁Radu Barsan、董事長兼首席執(zhí)行官Balu Balakrishnan、產(chǎn)品開發(fā)副總裁Roland Saint-Pierre 與汽車業(yè)務(wù)發(fā)展總監(jiān) Peter Vaughan。

針對(duì)氮化鎵器件未來的發(fā)展，PI高層堅(jiān)信，與硅技術(shù)甚至是碳化硅技術(shù)相比，氮化鎵可以說是一種更加適合于高壓開關(guān)應(yīng)用的技術(shù)。這是因?yàn)橄噍^于碳化硅，氮化鎵在成本效益方面具有更大的優(yōu)勢(shì)。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和市場(chǎng)的逐漸成熟，氮化鎵的成本效益將進(jìn)一步提升。

PI高層認(rèn)為，在未來功率轉(zhuǎn)換應(yīng)用領(lǐng)域當(dāng)中，當(dāng)功率達(dá)到某個(gè)水平以上時(shí)，氮化鎵必將取代硅，成為更具成本優(yōu)勢(shì)且性能更優(yōu)越的技術(shù)選擇。這一趨勢(shì)不僅體現(xiàn)在高壓開關(guān)領(lǐng)域，還將在更多其他功率轉(zhuǎn)換應(yīng)用場(chǎng)景中得到體現(xiàn)。

為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，PI正在加大研發(fā)投入，不斷優(yōu)化氮化鎵器件的性能和可靠性。他們相信，通過持續(xù)的創(chuàng)新和技術(shù)進(jìn)步，氮化鎵將在高壓開關(guān)應(yīng)用以及其他功率轉(zhuǎn)換領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用。同時(shí)，他們也期待與全球合作伙伴共同推動(dòng)氮化鎵技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，為全球客戶提供更高效、更可靠的能源解決方案。

在本次直播中，特別提到了共源共柵結(jié)構(gòu)的氮化鎵器件。這是一種將處于“常閉”狀態(tài)的氮化鎵器件，與一個(gè)低壓的MOSFET相串聯(lián)的器件架構(gòu)。低壓MOSFET的漏極與氮化鎵的源極相連，由控制器來控制低壓MOSFET的導(dǎo)通和關(guān)斷，從而對(duì)整個(gè)高壓器件的狀態(tài)加以控制。這樣的結(jié)構(gòu)具有很多的優(yōu)點(diǎn)。

首先，它有助于進(jìn)行無損耗的電流檢測(cè)，這對(duì)于精確監(jiān)測(cè)電路中的電流變化非常關(guān)鍵。由于低壓MOSFTE與氮化鎵開關(guān)管是串接的，因而此時(shí)只要檢測(cè)低壓MOSFET的電流就可以了。其次，利用這個(gè)結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)自偏置供電，從而簡化了電源的設(shè)計(jì)和可靠性要求。此外，共源共柵結(jié)構(gòu)還能夠?qū)舸╇妷簲U(kuò)展到比硅開關(guān)以及增強(qiáng)型氮化鎵開關(guān)更高的水平。

目前已經(jīng)有一款經(jīng)過車規(guī)認(rèn)證的900V氮化鎵器件，PI有信心將化鎵器件耐壓提升到更高的水平。

在考慮器件、材料和結(jié)構(gòu)方面的原因時(shí)，PI認(rèn)為將眾所周知的耗盡型氮化鎵與低壓場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）相結(jié)合，形成共源共柵的結(jié)構(gòu)是最佳的選擇。其中一個(gè)重要原因是可靠性。氮化鎵器件，即所謂的HEMT（高電子遷移率晶體管），在自然狀態(tài)下是一種“常閉”的器件。如果人為地將其變成增強(qiáng)型器件，就會(huì)增加風(fēng)險(xiǎn)。增強(qiáng)型器件在柵極結(jié)構(gòu)的耐用性方面存在弱點(diǎn)，需要使用復(fù)雜的負(fù)向柵極電壓驅(qū)動(dòng)來克服噪聲對(duì)驅(qū)動(dòng)的影響，這會(huì)導(dǎo)致較低的驅(qū)動(dòng)電壓閾值。

另一個(gè)共源共柵結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是可以充分利用硅器件當(dāng)中已經(jīng)具備的各種功能，來滿足具體功率應(yīng)用的需要。而在單一的增強(qiáng)型氮化鎵器件當(dāng)中實(shí)現(xiàn)這些功能所需的成本則要高得多。因此，PI將這兩種技術(shù)的精華融合到了這個(gè)架構(gòu)當(dāng)中，以實(shí)現(xiàn)更高效、更可靠的功率轉(zhuǎn)換解決方案。

對(duì)于自身氮化鎵產(chǎn)品的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，PI擁有專利的封裝以及特有的控制方式，可以在整個(gè)工作范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)恒定的高效率。氮化鎵是一項(xiàng)關(guān)鍵的技術(shù)，可以將電源的功率密度和效率提高到硅MOSFET無法達(dá)到的水平。PI的氮化鎵技術(shù)使他們能夠更容易地達(dá)到更高的電壓，而不會(huì)遇到其他人在氮化鎵技術(shù)方面通常所面臨的挑戰(zhàn)。從長遠(yuǎn)來看，器件能夠達(dá)到更高的電壓，可以解決800V母線電池系統(tǒng)的問題。與市場(chǎng)上大多數(shù)其他氮化鎵產(chǎn)品相比，PI的氮化鎵結(jié)構(gòu)具有獨(dú)特的成本效益。

PI的PowiGaN技術(shù)與同行所使用的其他氮化鎵技術(shù)，在生產(chǎn)及可靠性管控方面也有所不同。他們的開發(fā)工作涵蓋了產(chǎn)品制造和設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的各個(gè)方面，從外延生長到晶圓廠的晶圓制造，再到可靠性測(cè)試、器件本身的設(shè)計(jì)以及生產(chǎn)過程中的質(zhì)量控制，一直到性能和可靠性的系統(tǒng)級(jí)驗(yàn)證。在產(chǎn)品認(rèn)證期間，將會(huì)進(jìn)行非常嚴(yán)苛的可靠性測(cè)試，并執(zhí)行一些JEDEC標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試。

PI非常重視整個(gè)開發(fā)過程和生產(chǎn)篩選環(huán)節(jié)的質(zhì)量監(jiān)控能力。首先，將對(duì)氮化鎵進(jìn)行失效測(cè)試，而不僅僅局限于通過某些固定的建議的產(chǎn)品合格標(biāo)準(zhǔn)。因此，從外延生長到最終產(chǎn)品測(cè)試，PI始終保持端到端的質(zhì)量控制。這也是使PI的PowiGaN與其他氮化鎵廠商不同的地方之一。

PI對(duì)他們產(chǎn)品具體使用環(huán)境的理解也有著獨(dú)特的專長。在某些國家的特殊情況下，輸入電壓可能會(huì)發(fā)生一些奇怪的事情，這會(huì)影響到產(chǎn)品的穩(wěn)定性。正因?yàn)樗麄儞碛羞@方面的專業(yè)知識(shí)，才能反復(fù)錘煉設(shè)計(jì)并進(jìn)行周全的考慮，以確保氮化鎵產(chǎn)品的穩(wěn)定可靠，并具有非常堅(jiān)固和強(qiáng)大的可靠性。

在一款氮化鎵產(chǎn)品發(fā)行前，它可能已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了四至五年時(shí)間的測(cè)試和改進(jìn)。PI在產(chǎn)品開發(fā)本身也做了很多努力。在控制器中，為器件設(shè)置了許多保護(hù)機(jī)制，以確保當(dāng)客戶在使用器件遇到故障時(shí)，能夠盡可能地提高元件的可靠性。

總之，PI的PowiGaN技術(shù)在封裝、控制方式和可靠性方面都與眾不同，致力于提供穩(wěn)定可靠的氮化鎵產(chǎn)品，以滿足客戶的需求并超越他們的期望。

那么針對(duì)汽車行業(yè)，對(duì)GaN技術(shù)的接受度是如何的呢？PI認(rèn)為，隨著交通的電氣化和汽車市場(chǎng)的快速變化，人們的態(tài)度也發(fā)生了一些變化。汽車行業(yè)對(duì)新想法、新事物的接受度也更加開放。碳化硅作為一種能夠提供OEM廠商所追求的性能和效率表現(xiàn)的技術(shù)，雖然具有卓越的性能，但價(jià)格較為昂貴，屬于一種昂貴的技術(shù)。而氮化鎵則能以更低的成本實(shí)現(xiàn)類似的性能，因此人們對(duì)氮化鎵的前景充滿期待。

氮化鎵作為開關(guān)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)之一就是可以設(shè)計(jì)出非常緊湊、效率非常高的幾百瓦的變換器。這使得車輛能夠在充電時(shí)通過變換器來供電運(yùn)轉(zhuǎn)。這種高效的轉(zhuǎn)換能力使得車輛在行駛過程中能夠更有效地利用電能，提高能源利用率。

氮化鎵在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用與汽車行業(yè)的需求能夠完美結(jié)合。其具有高效率和小型化的特點(diǎn)，以及減少元件數(shù)量的優(yōu)勢(shì)，都符合汽車行業(yè)對(duì)于產(chǎn)品尺寸、重量和能效的要求。因此，氮化鎵的應(yīng)用為汽車行業(yè)帶來了巨大的潛力和機(jī)遇。

PI致力于為客戶提供完整的商業(yè)解決方案，包括氮化鎵器件的設(shè)計(jì)、制造和支持服務(wù)。通過與客戶緊密合作，PI可以根據(jù)其特定需求定制開發(fā)適合的解決方案，并提供全面的技術(shù)支持和維護(hù)服務(wù)。

隨著汽車行業(yè)對(duì)于新技術(shù)的接受度不斷提高，氮化鎵作為一種高效、小型化和低成本的技術(shù)，正逐漸受到行業(yè)的青睞。PI相信，氮化鎵在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用將會(huì)越來越廣泛，并為行業(yè)的發(fā)展帶來新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

編輯：黃飛

?