第三代半導(dǎo)體市場的“互補(bǔ)共生”

　　受訪人：Robert Taylor是德州儀器(TI)系統(tǒng)工程營銷組的應(yīng)用經(jīng)理，負(fù)責(zé)工業(yè)和個(gè)人電子市場的定制電源設(shè)計(jì)。他的團(tuán)隊(duì)每年負(fù)責(zé)500項(xiàng)設(shè)計(jì)，并在過去20年中設(shè)計(jì)了15000個(gè)電源。Robert于2002年加入TI，大部分時(shí)間都在擔(dān)任各種應(yīng)用的電源設(shè)計(jì)師。Robert擁有佛羅里達(dá)大學(xué)的電氣工程學(xué)士學(xué)位和碩士學(xué)位。

1.氮化鎵和碳化硅同屬第三代半導(dǎo)體，在材料特性上有什么相似之處和不同之處？根據(jù)其不同的特性，分別適用在哪些應(yīng)用領(lǐng)域？貴公司目前在SiC和GaN兩種材料的半導(dǎo)體器件方面都有哪些主要的產(chǎn)品？

　　與傳統(tǒng)的硅金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)相比，氮化鎵(GaN)和碳化硅(SiC)場效應(yīng)晶體管都能實(shí)現(xiàn)更高水平的功率密度和效率。雖然這兩種技術(shù)都是寬帶隙，但氮化鎵和碳化硅之間存在著根本性的差異，使得其中一種在某些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和應(yīng)用中比另一種更適合。

　　雖然氮化鎵和碳化硅的功率水平有一些重疊，但各自解決的功率需求是不同的。碳化硅器件提供高達(dá)1700V的電壓和高電流承載能力。這使得它們很適合于汽車和機(jī)車牽引逆變器、大功率太陽能發(fā)電站和大型三相電網(wǎng)變流器等應(yīng)用。碳化硅進(jìn)入市場的時(shí)間略長，因此它有更多的選擇，例如，相比目前可用的氮化鎵解決方案，碳化硅支持更廣泛的電壓和導(dǎo)通電阻。

　　另一方面，氮化鎵的基本特性使其更適合于對高功率密度的關(guān)鍵應(yīng)用，如服務(wù)器和電信電源；工業(yè)AC/DC和電源；以及高功率USB-C充電器。將氮化鎵器件與類似的碳化硅器件進(jìn)行直接比較，氮化鎵器件的轉(zhuǎn)接損耗會(huì)降低25%-50%，并支持更高的工作頻率。這些優(yōu)勢來自于氮化鎵具有更低的輸入和輸出電容，以及零反向恢復(fù)電荷，與其他技術(shù)相比，可大大降低功率耗散。

　　在目前的半導(dǎo)體形勢下，許多器件和技術(shù)都供不應(yīng)求，討論碳化硅和氮化鎵的制造工藝也很重要。碳化硅功率場效應(yīng)管是在碳化硅晶圓上制造的，這意味著碳化硅有一個(gè)獨(dú)立的、不如硅堅(jiān)固的供應(yīng)鏈。此外，大約70%的碳化硅晶圓來自一個(gè)供應(yīng)商，這為選擇碳化硅增加了一層風(fēng)險(xiǎn)。氮化鎵功率器件幾乎總是建立在硅晶圓上，這是與其他使用碳化硅或氮化鎵晶圓并經(jīng)常用于射頻的氮化鎵技術(shù)的重要區(qū)別。這種硅基氮化鎵工藝意味著氮化鎵能夠利用便宜得多的硅晶圓供應(yīng)鏈。

　　在TI，我們最近發(fā)布了三款新的氮化鎵產(chǎn)品：LMG3422R030、LMG3422R050和LMG3522R030-Q1。該系列氮化鎵產(chǎn)品采用底部和頂部冷卻封裝，具有多種不同的導(dǎo)通電阻，是首款符合AEC-Q100的汽車市場集成柵極驅(qū)動(dòng)器的氮化鎵器件。它們已經(jīng)一同被幾家領(lǐng)先的電源制造商采用，以生產(chǎn)更高效率和更高功率密度的電源。不需要改進(jìn)效率和功率密度的終端設(shè)備傾向于保持現(xiàn)有技術(shù)。

2.功率器件是第三代半導(dǎo)體的重要應(yīng)用領(lǐng)域之一，您認(rèn)為，相比于傳統(tǒng)功率半導(dǎo)體器件，第三代半導(dǎo)體在功率器件應(yīng)用方面有哪些技術(shù)上的優(yōu)勢，又能帶來哪些技術(shù)指標(biāo)方面的突破和新應(yīng)用的涌現(xiàn)？

　　與現(xiàn)有硅器件，比如MOSFET或IGBT相比，GaN和SiC由于不同的物理特性，是具備更好開關(guān)性能的新型半導(dǎo)體材料。具體而言，GaN具有低得多的輸入和輸出電容以及顯著降低功耗的零反向恢復(fù)電荷。TI的GaN解決方案則更進(jìn)一步，將柵極驅(qū)動(dòng)器與GaN FET集成，實(shí)現(xiàn)了更高的壓擺率。開關(guān)頻率更快，功率損耗更低。市場上要求更高效率和功率密度的應(yīng)用正以極快的速度向GaN產(chǎn)品過渡。

　　相對于MOSFET和IGBT器件，GaN器件提供了實(shí)質(zhì)性的改進(jìn)，包括快速開關(guān)時(shí)間、低導(dǎo)通電阻、較低的門極電容（例如，GaN的單位門極電荷小于1nC-Ω，而Si的單位門極電荷為4nC-Ω），這些特性可以實(shí)現(xiàn)更快的導(dǎo)通和關(guān)斷，同時(shí)減少柵極驅(qū)動(dòng)損耗。GaN還提供了較低的單位輸出電容（典型的GaN器件的單位輸出電荷為5nC-Ω，而傳統(tǒng)的Si器件為25nC-Ω），這使設(shè)計(jì)人員能夠在不增加開關(guān)損耗的同時(shí)實(shí)現(xiàn)較高的開關(guān)頻率，更高的開關(guān)頻率意味著設(shè)計(jì)人員能夠縮小電源系統(tǒng)中磁性元件的尺寸、重量和數(shù)量。憑借更快的開關(guān)速度，氮化鎵器件幫助設(shè)計(jì)者實(shí)現(xiàn)了超過500千赫茲的開關(guān)頻率，從而使系統(tǒng)中的磁體體積縮小60%，性能增強(qiáng)，降低系統(tǒng)成本。

4.新能源汽車和充電樁，也是第三代半導(dǎo)體的主要應(yīng)用領(lǐng)域之一，您認(rèn)為，在這兩個(gè)方面，第三代半導(dǎo)體主要的技術(shù)應(yīng)用優(yōu)勢有哪些？對系統(tǒng)的效率和性能，又能帶來哪些新的提升以及新應(yīng)用的可能？

　　德州儀器(TI)的氮化鎵功率器件產(chǎn)品系列專注于集成氮化鎵的關(guān)鍵特性，以突出氮化鎵的優(yōu)勢。我們的氮化鎵器件產(chǎn)品系列集成了柵極驅(qū)動(dòng)器和電源管理功能，這些都有助于設(shè)計(jì)出更高頻率和更小尺寸的氮化鎵。2020年TI推出了業(yè)界首款具有集成驅(qū)動(dòng)器的650V車用GaN FET產(chǎn)品LMG3522R030-Q1。

　　它針對400V電池系統(tǒng)的3.3kW至7kW的車載充電應(yīng)用得到了優(yōu)化。在我們的PMP22650、6.6kW車載參考設(shè)計(jì)中，展示了使用我們的氮化鎵器件實(shí)現(xiàn)3.8kW/L功率密度和97%效率的能力。這也證明了氮化鎵可以為非車載電動(dòng)車充電器帶來巨大的好處。

5.數(shù)據(jù)中心是節(jié)能降耗的一個(gè)重要應(yīng)用領(lǐng)域，您認(rèn)為第三代半導(dǎo)體可以在哪些方面提升數(shù)據(jù)中心的能源利用效率？在數(shù)據(jù)中心中，哪些第三代半導(dǎo)體的產(chǎn)品可以得到廣泛的應(yīng)用。第三代半導(dǎo)體的應(yīng)用又會(huì)如何影響數(shù)據(jù)中心功能的升級(jí)？

　　在設(shè)計(jì)支持存儲(chǔ)、云應(yīng)用、中央計(jì)算能力的電信和服務(wù)器系統(tǒng)時(shí)使用氮化鎵器件，可提供能源效率和功能優(yōu)勢。TI的氮化鎵設(shè)計(jì)可達(dá)到80?Plus Titanium標(biāo)準(zhǔn)，并實(shí)現(xiàn)超過99%的功率因素校正(PFC)效率。最近，我們在TIDA-010203中配置了99%效率的PFC參考設(shè)計(jì)，幾個(gè)主電源已經(jīng)開始使用TI氮化鎵器件。

6.隨著第三代半導(dǎo)體材料的推廣應(yīng)用，氮化鎵除了在快充領(lǐng)域迅速占領(lǐng)市場以外，未來還將可能在哪些領(lǐng)域嶄露頭角？貴公司有哪些產(chǎn)品和方案？

　　我們相信在未來的10到20年里，氮化鎵將會(huì)得到更廣泛的應(yīng)用。一些氮化鎵的初代采用者是生產(chǎn)USB電源充電器的中國廠商，我們預(yù)計(jì)氮化鎵在消費(fèi)品市場的應(yīng)用會(huì)更加普及。如今，使用氮化鎵的服務(wù)器、計(jì)算機(jī)和工業(yè)電源已投入使用，預(yù)計(jì)未來5年內(nèi)它將取得更多的商業(yè)應(yīng)用。而氮化鎵在機(jī)器人、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、汽車充電、太陽能電器等其他工業(yè)領(lǐng)域也會(huì)被更廣泛地投入商業(yè)應(yīng)用之中。在當(dāng)前的汽車市場上，客戶正在嘗試將氮化鎵用于未來的車載充電器和高壓直流轉(zhuǎn)換器中。預(yù)計(jì)在未來五年，氮化鎵將走向更廣泛的應(yīng)用。我們也注意到氮化鎵被用作"高功率"的營銷手段，因此看到其他應(yīng)用以創(chuàng)新方式配置氮化鎵器件也會(huì)是非常有趣的。

7.您認(rèn)為隨著成本的下降，未來GaN在中低功率領(lǐng)域能否完全替代二極管、IGBT、MOSFET等硅基功率器件？在功率器件的工藝上第三代半導(dǎo)體帶來了哪些改變？

　　“互補(bǔ)共生”是描述這些功率半導(dǎo)體器件未來競爭特點(diǎn)的一個(gè)很好的詞。在汽車市場上，可以找到一次側(cè)使用氮化鎵和二次側(cè)使用IGBTs的高壓至低壓直流/直流轉(zhuǎn)換器。在TI現(xiàn)有的參考設(shè)計(jì)中，我們將使用氮化鎵、IGBTs或任何一種技術(shù)為特定應(yīng)用提供最佳性能。氮化鎵的優(yōu)勢可以在需要更高效率和更小尺寸的設(shè)計(jì)中得到最大發(fā)揮。