[行业动态]​易用和可靠性是助力氮化镓GaN市场腾飞关键

据天华中威科技小编了解，近几年碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)等第三代半导体异常火热，国内外很多半导体企业都涌入其中。据Yole Développement统计，2021全球GaN功率器件市场规模为1.26亿美元，预计2021~2027年期间复合年增长率为59%，2027年全球市场规模高达20亿美元，这主要得益于四大潜力市场的助力。

图：2021~2017年GaN功率器件市场规模（来源：Yole）

四大潜力应用助力GaN市场腾飞

哪些应用的增长，让GaN市场规模能够以如此快的速度成长呢？在Cambridge GaN Devices（简称：CGD）公司亚太区销售副总裁Carryll Chen看来主要有四大应用，分别是消费类应用、数据中心与通信电源、光伏等工业类应用，以及汽车类应用。

首先是消费类应用，这是GaN器件最开始大规模出货的市场，现在搭载GaN器件的PD充电器，尤其是第三方的充电器已经非常流行。接下来，GaN还会继续渗透到其他消费类应用中，比如显示器、游戏主机电源、低噪声D类音频放大器等。据Carryll Chen介绍，以前的显示器电源大概是50W，但如今的大尺寸显示器电源已经来到了200W，因此采用GaN愿望越来越强烈，目前已经有厂商在评估了；而低噪声D类音频放大器则主要用于高端音响中，因为GaN器件可以实现更理想的性能，而且抑制性能会更好。

二是数据中心与通信电源类应用。随着信息传输的数量和速度越来越高，数据中心消耗的能源也越来越大。现在各国的法规都致力于在同样的体积下不断提升功率密度，而GaN在提升功率密度方面非常有优势，因此，这些年来，越来越多的服务器和数据中心厂商开始导入采用GaN器件的高效率、高功率密度电源。

图：Cambridge GaN Devices公司亚太区销售副总裁Carryll Chen

三是可再生能源与光伏等工业类应用。据Carryll Chen透露，目前已经有不少微型逆变器产品开始导入GaN器件了。当然，除了个人用或家庭用的光伏逆变器，还有储能系统也是一个增长不错的潜力市场。另外，工业类的应用，也包括马达驱动以及轨道电源等工业类电源产品。她谈到，虽然工业类的应用起步比较慢，但今年的导入速度非常快，未来的渗透率值得期待。

四是汽车类应用。这是未来最有发展潜力的一个市场，GaN可以用在电动汽车的牵引逆变器、电机控制与驱动、车载充电机（OBC）、DC/DC转换器、激光雷达上的电源模块、汽车座舱内的无线充电等场景中，不过由于汽车类应用大都与人身安全有很大的关系，所以大规模应用到汽车上还需要等待一段时间。毕竟安全验证是需要时间的。但这的确是一个趋势，值得关注。

易用和可靠性是GaN市场腾飞的关键

前面谈到了四大类应用将会是未来GaN市场规模快速增长的最大驱动力来源，但其实，不同类型的应用对GaN器件的需求是不一样的，从效率、容易使用、可靠性、尺寸，甚至是成本方面来考量的话，消费类应用由于设计周期非常短，用量很大，因此，对使用者来说，他们最希望拿到一个非常简单，易于使用的器件，而且尺寸要小，成本要有竞争力。

而对数据中心类应用来说，他们对效率和可靠性的要求更加严苛。毕竟消费类的充电器万一坏了，影响的可能是个人无法充电而已，但数据中心，如果一个器件发生了故障，影响的可能是整个服务器的运作，或者数据的损毁。

到汽车类应用的话，可靠性的要求就更高了，毕竟它直接关系到人身安全了。

综合来看，易用性和可靠性是GaN器件能否大规模被市场采用的关键。那么，如何才能做到易用和可靠呢？毕竟GaN的gate耐压不高，很容易误导通和开关，甚至容易发生“炸机”事件。加上GaN材料的特性，其切换速度非常快，所以dv/dt带来的噪声也比MOSFET高很多。要想做到跟MOSFET一样方便易用，其实是很困难的。

CGD通过先进设计，大幅提升GaN可靠性与易用性

CGD是一家Fabless半导体公司，致力于开发一系列节能的GaN功率器件，目标是实现更加环保的电子产品，其两位创始人均来自英国剑桥大学，其中首席执行官Giorgia Longobardi博士此前在剑桥大学工程系领导 GaN 功率器件团队，在GaN领域有12年的研发经验，首席技术官（CTO）Florin Udrea则是剑桥大学功率半导体教授，拥有超过150项专利。在他们两位指导下研发出来的ICeGaN™系列产品则兼具可靠性和易用性两大特点。

为了克服GaN的使用挑战，让GaN更容易驱动，业内GaN厂商想了很多办法，比如有使用Cascode架构驱动GaN器件，以避免栅极耐压太低的问题；也有将栅极驱动器集成到GaN内部，通过外部的控制信号，让内部的GaN驱动器直接去驱动GaN；“但这些方式都各有利弊。” Carryll Chen对电子发烧友网表示，第一种解决方案需要负驱动电压，以限制高dv/dt瞬态期间HEMT的虚假关断事件；而栅极驱动器完全集成的解决方案，虽然减少了寄生效应带来的影响，但却失去了使用低成本、高性能硅基驱动器的灵活性。此外，由于片上热耦合会导致功率器件自发热，栅极驱动器会有额外的损耗。

而CGD则另辟蹊径，不是将栅极驱动器完全集成，而是利用内置的逻辑电路去控制电压，达到简化驱动电路的目的。因为在 Carryll 看来，如果想要让一个GaN器件变得比较好设计，或者比较好使用的话，最好的办法就是想办法让GaN驱动起来就像一个MOSFET，毕竟MOSFET已经使用非常久了，大部分的工程师都熟悉。

CGD的ICeGaN的驱动方式就与MOSFET类似，不同于其他的增强型GaN解决方案，ICeGaN与任何硅基驱动器都能兼容。再加上ICeGaN器件具有较高的阈值电压，Vth≈3V，可抑制与dV/dt相关的虚假导通事件，从而使操作更加安全。此外，ICeGaN 器件可以使用高达20V的栅极电压驱动（远远超过 p-GaN HEMT的标准电压7V），而不会影响器件的跨导或动态性能。

图：ICeGaN H2系列器件内部框图（来源：CGD）

根据ICeGaN器件的内部框图，内置的钳位电路能够对输入栅极信号控制在5.5V左右，来使内部GaN HEMT完全导通。除此之外，它其实还有温度补偿的功能在里面，在栅极与源极之间加入的米勒钳位电路，可以用最短的路径避免dv/dt造成的影响，实现0V关断。与常用的外部放电电路相比，CGD可以在内部晶圆上实现最短路径，会有更好的表现。

像CGD这样只集成部分电路，而不是将整个驱动器都集成到芯片内部带来的好处是，由于驱动电流还是来自外部的驱动器，CGD可以直接使用Ron或Roff去控制充放电电流，调整器件的dv/dt斜率。外部驱动线路会非常接近MOSFET。唯一的差异就是CGD目前还是需要外接VDD用来设定一些参考电压，做一些 enable、disable和 detection的监测功能。因此，ICeGaN器件还是需要给VDD供电，未来，CGD会努力实现GaN和MOSFET的无痛转换。

目前的研究显示，GaN器件的栅极耐压其实跟温度和频率有很大的关系，尤其是GaN HEMT的栅极耐压最大值只有7V时，在低温下，如果耐压降低了，驱动时的杂散信号很可能会把GaN的栅源极击穿，或是造成生命周期的减少。为了让ICeGaN器件更加稳健，让它能够在不同温度环境下，都能保持良好运作，CGD在钳位电路里面，额外增加了温度补偿。因此，ICeGaN器件内部的钳位电路会随着温度的不同而改变，比如在25℃时，内部钳制在5.5V，而在0℃时，钳制电压值会跟着降低，以保证GaN的栅极不会被击穿。当GaN器件启动后，温度慢慢提升之后，内部的钳位电路的电压会往上提高，不会因为此功能而影响到效率表现。

具体产品方面，CGD在PCIM Europe期间推出的第二代ICeGaN 650V氮化镓HEMT系列产品，采用了CGD的智能栅极接口，几乎消除了典型e-mode GaN的各种弱点，大幅加强了栅极电压耐用性，可提供更高的噪声抗扰阈值，以及提升dv/dt抑制和ESD保护效果。新型 650 V H2 ICeGaN 晶体管与前代器件相同，驱动电压范围与硅基MOSFET相同，驱动电路也非常接近，无需复杂低效的电路，并可兼容市场上普遍使用的硅基MOSFET栅极驱动器。另外，与硅器件相比，H2 ICeGaN HEMT 的 QG 低10倍，QOSS低5倍，这使得 H2 ICeGaN HEMT在高开关频率下能大幅降低开关损耗，并缩小尺寸，减轻重量。这使得其效率和效能在同类产品中更具优势，在SMPS应用中，比业界出色的硅基MOSFET的性能要高出2%。

由此可见，CGD的GaN器件不仅解决了目前GaN技术的发展的瓶颈，也克服了减缓采用GaN新型技术的挑战，同时，还能沿用传统MOSFET的驱动设计，帮助终端厂商从MOSFET无痛转换到GaN，快速抢占宽禁带半导体市场商机。

结语

GaN可以说是当今功率电子领域最引人注目的材料，有助于开发出功率密度更大、导通电阻更低、频率响应更高的高压器件。随着市场对高效率和高功率密度需求的提升，以及未来四大潜力应用的驱动，加上更多简单易用，可靠性更高的GaN器件的推出，相信GaN市场在未来几年会迎来高速腾飞。