國(guó)產(chǎn)器件突破1700V，功率GaN拓展更多應(yīng)用

電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/梁浩斌）GaN器件已經(jīng)在消費(fèi)電子領(lǐng)域站穩(wěn)腳跟，而在消費(fèi)電子之外，電源產(chǎn)品還有很多較大的應(yīng)用市場(chǎng)，包括光伏逆變器、服務(wù)器電源、汽車領(lǐng)域等。而新能源汽車作為目前規(guī)模增長(zhǎng)最快的市場(chǎng)之一，SiC已經(jīng)成功導(dǎo)入電動(dòng)汽車產(chǎn)品，并實(shí)現(xiàn)大批量落地。

與SiC同為第三代半導(dǎo)體的GaN，在材料特性，器件的特性上都有很多相同之處，甚至在成本以及高頻應(yīng)用中，GaN功率器件相比SiC還有一定優(yōu)勢(shì)，所以各大功率GaN廠商都在積極布局汽車應(yīng)用。

不過目前功率SiC主要被用于800V高壓平臺(tái)的車型中，包括牽引逆變器、空調(diào)壓縮機(jī)等要用到耐壓值1200V的器件。但此前GaN在消費(fèi)電子領(lǐng)域大多產(chǎn)品在650V或以下，如果想要在汽車領(lǐng)域得到更廣泛的應(yīng)用，就需要更高耐壓值的GaN器件。

GaN HEMT器件突破1700V，拓展高壓應(yīng)用

在目前電動(dòng)汽車高壓系統(tǒng)的趨勢(shì)下，一般母線電壓為800V的系統(tǒng)中，需要用到1200V耐壓的功率器件。而隨著電池包技術(shù)發(fā)展，以及快充、低能耗的需求，一些車型的電池包電壓已經(jīng)高達(dá)900V，出現(xiàn)1000V電壓級(jí)別的車型也只是時(shí)間問題。

而1000V電壓的電路中，可能會(huì)產(chǎn)生1300V或以上的瞬時(shí)電壓，所以這個(gè)時(shí)候就需要1700V耐壓的器件。而目前市面上SiC功率器件已經(jīng)有很多耐壓1700V的產(chǎn)品，還有一些超高壓產(chǎn)品耐壓達(dá)到3300V以上。

最近，國(guó)內(nèi)GaN領(lǐng)域也出現(xiàn)了一款1700V GaN HEMTs器件。致能科技團(tuán)隊(duì)與西安電子科技大學(xué)廣州研究院/廣州第三代半導(dǎo)體創(chuàng)新中心郝躍院士、張進(jìn)成教授團(tuán)隊(duì)等合作攻關(guān)，采用致能科技的薄緩沖層AlGaN/GaN外延片，基于廣州第三代半導(dǎo)體創(chuàng)新中心中試平臺(tái)，成功在6英寸藍(lán)寶石襯底上實(shí)現(xiàn)了1700V GaN HEMTs器件。相關(guān)研究成果于2024年1月發(fā)表于IEEE Electron Device Letters期刊。
廣東致能團(tuán)隊(duì)通過MOCVD方法在6英寸藍(lán)寶石襯底上外延出包括1.5μm薄層緩沖層和AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，這種技術(shù)可以顯著減低外延和加工的難度。使用其外延片制備的GaN HEMTs器件具有超過3000 V的高阻斷電壓和17Ω·mm的低導(dǎo)通電阻，并通過1700 V的長(zhǎng)期HTRB應(yīng)力初步驗(yàn)證了其魯棒性。

而從目前市面上主流的650V GaN器件發(fā)展到1700V ，能夠令GaN拓展到更多領(lǐng)域，除了電動(dòng)汽車之外，在工業(yè)、光伏、儲(chǔ)能等領(lǐng)域都會(huì)有更大的應(yīng)用空間。

目前多家廠商已經(jīng)推出900V及以上功率GaN

近幾年，為了滿足更多市場(chǎng)的需求，拓展應(yīng)用領(lǐng)域，功率GaN產(chǎn)品的規(guī)格也越來越豐富，眾多廠商在高壓應(yīng)用上推出量產(chǎn)產(chǎn)品。

剛剛被瑞薩收購(gòu)的GaN廠商Transphorm，在2017年推出了第一款900V GaN產(chǎn)品，并且在2022年的國(guó)際功率半導(dǎo)體器件和集成電路研討會(huì)（ISPSD）上展示了1200V GaN器件。Transphorm當(dāng)時(shí)表示，市場(chǎng)上可買到的高功率GaN晶體管的電壓范圍通常為600V至650V，只有Transphorm能夠提供900V GaN器件。

而在2023年，Transphorm公布了其1200V功率GaN器件的仿真模型和初步數(shù)據(jù)，這款產(chǎn)品基于藍(lán)寶石基氮化鎵外延片制造，擁有70mΩ的導(dǎo)通電阻、±20 Vmax柵極穩(wěn)健性、低 4V柵極驅(qū)動(dòng)噪聲抗擾度、零QRR和3引腳TO-247封裝。

PI（Power Integrations）去年也推出了900V PowiGaN器件，并在不久之后又推出了1250V的PowiGaN器件。據(jù)測(cè)試，1250V的PowiGaN開關(guān)方案，其效率要比650V的硅開關(guān)方案高出1%，其損耗也比傳統(tǒng)的硅開關(guān)方案減少近一半左右。同時(shí)還具有同步整流和FluxLink安全隔離反饋功能，可以穩(wěn)定輸出電壓和電流，能夠用于1000V峰值工作電壓的應(yīng)用中。

國(guó)內(nèi)鎵未來也已經(jīng)推出了900V的GaN器件，并已經(jīng)實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，支持TO-252-3L、TO-252、TO-220三種封裝，有R_DS(ON)990mΩ/450mΩ/270mΩ等規(guī)格。

鎵宏半導(dǎo)體官網(wǎng)顯示目前已推出了GSR900D035系列 900V、50mΩGaN FET，能夠用于工業(yè)、光伏逆變器、伺服電機(jī)等應(yīng)用。

華潤(rùn)微旗下專注三代半的廠商潤(rùn)新微（前為芯冠科技）早在2022年就推出了900V的硅基氮化鎵系列產(chǎn)品，目前公司官網(wǎng)顯示提供TO-220封裝，RDS_(ON)540mΩ/270mΩ/220mΩ/150mΩ規(guī)格的900V GaN功率器件。

去年國(guó)內(nèi)900V GaN產(chǎn)業(yè)鏈也有不少新的廠商取得突破，比如聚能晶源研制出了高柵壓GaN增強(qiáng)型外延技術(shù)和900V高耐壓GaN-on-Si外延技術(shù)；長(zhǎng)平時(shí)代發(fā)布用于車載電子的6英寸900V硅基GaN外延片；湖南三安完成了900V 硅基氮化鎵功率器件的開發(fā)，并已導(dǎo)入到客戶產(chǎn)品設(shè)計(jì)和系統(tǒng)驗(yàn)證。

小結(jié)：

隨著更多高壓GaN器件的出現(xiàn)，也將會(huì)大大拓展GaN的應(yīng)用領(lǐng)域。未來GaN功率器件將會(huì)出現(xiàn)在更多比如工業(yè)、光伏、儲(chǔ)能、電動(dòng)汽車主驅(qū)等應(yīng)用場(chǎng)景中。