氮化镓在向前发展
以下这篇文章由Achim Scharf撰写并出版于2016年11月期的 Power Electronics Europe上.
根据市场研究员Yole, 2015-2016是氮化镓能源交易的活跃年，经过多次的波动，如今600伏特的氮化镓在市场上已经商业流通。氮化镓搭载IC首次亮相为氮化镓制造企业打开新的市场前景。氮化镓能源交易预计在2021年达到2.8亿美元，并且2015年到2021年，年均复合增长率（CAGR）达到86%。当前市场正受到新兴应用的推动，包括为数据库和电信提供能源补给，AC快充，汽车光学雷达，封包追踪，无线能源。
“在数字领域摩尔定律已经被打破，每18个月在芯片上晶体管的数量成倍增加，但是在电力能源领域氮化镓的研究才刚刚开始” EPC首席执行官Alex Lidow指出，“氮化镓是硅在能量转化和模拟设备，也有可能是数字组件上的逻辑技术传承。我们距离理论上氮化镓极限的800倍，这项技术能够整合达到NMOS的水平。”
“在过去的几年中，已经出现了大量的强大的发展和关键的合作，这是一个充满希望和高速发展的行业。” Yole (www.yole.fr). 的技术与市场分析师Hong Lin评论道。值得一提的是集成设备技术 (www.IDT.com)，高效电源转换 (www.EPC-co.com)，Infineon科技 (www.Infineon.com) 和松下 (https://eu.industrial.panasonic.com/), Exagan (www.exagan.com) 和德国Xfab (www.xfab.com), 台湾积体电路制造公司 (www.tsmc.com) 和 GaN Systems (www.gansystems.com). 台积电是最早同时提供6英寸大小微型芯片中100伏和650伏的氮化镓的制造服务公司。将氮化镓从能源半导体市场带入到更大的IC市场的想法引起了其他几家公司的兴趣。例如EPC和GaN Systems都在研究更集成的解决方案。同时Texas Instruments （www.ti.com）在2015年宣布了80V能量级和2016年宣布了600V能量级。到2016年末快速的发展让用户不仅能从EPC购买低电压氮化镓（<200V），也可以从其他公司购买高电压（600V/650V）组件，包括Transphorm（www.transphormusa.com），GaN Systems和Infineon / Panasonic。Visic（www.visic-tech.com）于2016年9月宣布了1200 V电源模块。VisIC Technologies, Ltd. 总部位于以色列Nes Ziona，于2020年由氮化镓技术专家们建立起来。氮化镓模块典型导通电阻低至0.04Ω。目标应用是作为交换器用于电机驱动器、三相能源补充和其他需要电流切换达到50A的应用。“这项技术支持减少的栅极电荷和电容，同时又不会失去低RDS（ON）的优势，可提供低至140J的超低最大开关能量。交换损耗比SIC MOSFET低三到五倍。在九月这家公司也推出了一款新的12A氮化镓交换器，这种交换器采用了更小、导通电阻为0.080Ω的底部冷却包装。
一家新公司Navitas Semiconductor（www.navitassemi.com）于2016年3月在APEC上及随后在欧洲举行的PCIM 2016上发布了其基于Hughes Lab技术（www.hrl.com）的650 V GaN电源IC。“氮化镓已经做好了市场准备，我们正在整合以前未整合的东西。” 首席技术官Dan Kinzer表示。该公司设计了具备集成栅极驱动器的完全集成氮化镓IC，采用了5mm x 6mm QFN封装。“这种电子模式的设备特征是驱动损耗比硅要低20倍，驱动器的阻值也跟能量级匹配。同样，将近0的传感也导致了极低的转化损耗——我们的650V工艺允许损耗频率高达27和40MHz！转化不是极限而是磁性。”根据Kinzer所说的，这种设备用作500V同步整流器。
AllGaN™是第一个允许将650 V 氮化镓 IC电路（驱动器，逻辑）与GaN FET单片集成的平台。这种“氮化镓功率IC”包括了滞后输入，电压调节和ESD保护的特征——所有功能都集成在同一层氮化镓层上作为主要能源设备。这种单片集成驱动和转化使用d型氮化镓、垂直氮化镓或者碳化硅，这是不切实际的，横向“GaN-on-Si”构造意味着使用现有的工艺实现大规模批量生产。在AllGaN解决方案中，上游集成的GaN驱动器可安全，精确和高效地驱动GaN FET栅极。标准3.3V，5V或者15V PWM信号直接输入GaN Power IC，以实现简单的低组件数设计。集成驱动器还可以减少振铃，并可以严格控制高频半桥应用的开启和关闭。
Dialog Semiconductor plc (www.dialogsemiconductor. com) 宣布在8月底推出其首款氮化镓能源IC产品，这款产品利用了TSMC的650 V硅基氮化镓工艺。“氮化镓转化器出色的表现使客户们传达更高效紧凑的电源适配器设计来应对当今的市场需求，” Dialog Semiconductor公司发展与战略高级副总裁Mark Tyndal表示，“氮化镓技术提供了世界上最快的晶体管，这是高频超高效能源转化的核心。我们的DA8801半桥将构建模块（如栅极驱动器和电平转换电路）与650 V电源开关集成在一起，以提供一种优化的解决方案，减少能源损耗达50%，能源利用效率达到94%。该产品允许无缝实施氮化镓，避免了驱动离散氮化镓能量转化的复杂的电路。这项新技术可以将能量电子设备的尺寸减小达50%，使得如今典型45W适配器设计能够适应25W甚至更小的尺寸。尺寸的减小将为移动设备提供真正的通用充电器。”
今年早些时候在Erlangen的Fraunhofer IISB (www.iisb.fraunhofer.de) 的Thomas Heckel传达出了业界对氮化镓的期望，他在CIPS会议上表示：“我们期望它的常断特性，比Si甚至SiC以及更多供应者有更好的表现。”在IISB，一款测试系统已经被建立用于评估各种氮化镓晶体管。在100V电压下，未被数据手册记录的转换器的200V晶体管表现出动态导通电阻（120mΩ至80mΩ），打开了一个需要外部栅极电阻的650 V / 150 mΩ级联，这种类型展现出较差的可控性；带有四个氮化镓晶体管的650 V / 45mΩ转化器展现出更好的可控性但是在市场上无法获得；650 V / 50mΩ常关器件具有更好的动态导通电阻，但未达到数据手册中的规格。 只有Panasonic的600 V GIT设备没有动态导通电阻！
International Rectifier 是第一家引入级联氮化镓晶体管的公司，由于其在氮化镓领域的领先地位，于2014年底被Infineon以30亿美元的价格收购。同时，级联拓扑已被跳过，通过获得松下GIT许可，e-mode技术将受到Infineon青睐。这种转变明显标志着行业将在未来发生变化，来支持e-mode或常关设备。
新应用前景
“用最好的词来形容，氮化镓技术具有颠覆性，使得曾经认为不可能的事成为可能。”EPC首席执行官Alex Lidow评论道。氮化镓技术的速度比硅基MOSFET快10倍，体积更小，并且性能更高。随着大多数现有应用以及新应用的流行，氮化镓取代持续老化能源MOSFET必要性变得越来越明显。
数字内容，大数据，电子商务和互联网流量的爆炸式增长也使数据中心成为发达国家电力增长最快的消耗者之一，以及成为建设新能源厂的关键驱动力之一。在2014年，美国数据中心消耗了1000亿千瓦时的能源，根据自然资源保护委员会（www.nrdc.org）预测，到2020年数据中心电力消耗将逐年增加到1400亿千瓦时，这相当于50个发电厂的年产量。能满足这种快速增长需求的能量来自于电网，经过多个转化阶段，才将剩下的能量输入到数字半导体芯片中去。从来自于从发电厂到计算机芯片多个转化阶段导致的损耗来看，电网需要提供150 W的功率才能满足可能只需要100 W功率的数字芯片的需求。这种服务器中能量转化产生的浪费在全美国未330亿千瓦时，相当于12座发电厂。但是服务器厂中的浪费甚至更多，因为通过能量转化流失的每瓦特的能量实际上是被转化为热量，而为了消除这些热量甚至需要更多的能量。
自从自从采用12 V中间总线架构（IBA）以来，总线转换器当前的输出功率正以大约一个数量级的步伐增长，从大约100 W到目前的设计（四分之一砖占地面积）约为1 kW。这意味到POL转换器的12 V总线上的电流量也增加了10倍，并且在不降低总线电阻的情况下，随之而来的总线传导损耗也增加了两个数量级。基于氮化镓的解决方案相比于传统的IBA系统中硅基的方案，已经展现出显著的效率改善。但是，随着48 V输入总线转换器中转换损耗的增加，主板上安装的12 V总线损耗的增加以及氮化镓技术的更高性能，现在可以考虑不同的架构，例如直接从48 V输入到负载使用非隔离的POL转换器。对于48 V输入，选择了嵌入在EPC9041演示板上的80 V e-GaN单片半桥IC（EPC2105），以实现更高的降压比。“直接节省通过消除服务器群电源架构刚刚过去的阶段，不仅降低了成本，还取决于基于氮化镓的方法7-15％之间消耗功率降低。 与基于硅的解决方案相比，这每年可直接节省210亿度电。 如果增加服务器场内部的空调能源成本，则节省的费用会进一步增加，仅在美国，服务器的总耗电量就达到1400亿千瓦时，总数将近25％。”
自 Google (www.google.com) 于2016年初加入开放计算项目（www.opencompute.org）以来，48 V电源结构受到了越来越多的关注。OCP将帮助推动IT基础架构的标准化。更具体地说，Google将贡献一个新的架构规格，其中包括了48V能源分配以及新规格来允许OCP架构适应数据中心。“从早期开始计算能源利用率一直是被我们关注的话题。我们从2003年开始倡导高效电源，并在2006年共享了数据中心内部机架的12 V架构的详细信息–支持并为服务器的行供电的基础架构。在2009年，我们开始评估12V能源设计的替代方案，来提供更高的系统效率和性能，因为我们团队需要更多的能量来支持高性能计算产品，例如大功率CPU和GPU。在2010年，我们开始48V架构能源分配的发展，因为我们发现它在支持这些高性能系统中节省至少30%的能源以及拥有更多的成本效益。此后我们的48V架构得到了发展，包括具有48V到POL设计以及机架级48V锂离子UPS系统。Google一直在设计使用48V基础架构，我们对这款设计的强大性以及可靠性感到非常满意。随着业界致力于解决同样问题处理高能工作负荷，例如用于机器学习的GPU，通过与OCP进行标准化使这种新设计变得有意义。我们相信这会帮助每个人接受下一代能源架构。” Google技术项目经理John Zipfel说道。
另一个例子–汽车行业了解将汽车作为“生活空间”的趋势，并已开始展示其对完全移动生活方式的未来展望。 仪表板已由智能手机取代，而传感器和电脑被加入到提高其安全性方面。朝着长期的目标前进，车辆正在走向全电子减少化石燃料使用的方向。
一种猛然出现的技术使得我们电子产品中的电池能够满足车辆信息娱乐系统，这便是无线能源传输。这种新兴技术使对多个对象进行无线充电，，而无需接触电力传输单元（PTU），其效率类似于有线充电器。无线手机放在汽车充电正在成为智能手机本身正在成为仪表盘信息娱乐中心的信息接收器和路由器更为关键。
几家汽车制造商正在采用操作系统标准，以实现与仪表板的无缝接口，这些仪表板成为驾驶员和其他乘员智能手机中可用信息和娱乐的“奴隶”。
由三星，高通，英特尔和EPC等电子行业领导者组成的联盟开发的AirFuel联盟 (www.airfuel.org) 无线功率传输标准正在手机和平板电脑充电应用中迅速采用。为了施行这项标准，几家汽车制造商正在发展在中央控制台中嵌入无线充电站，如此，即使在高频且连续使用的情况下，智能手机和其他移动设备能够在汽车运行时保持充电状态。鉴于AirFuel Alliance标准将6.78 MHz标准频率用于功率传输，这对硅功率器件来说是一个延伸，因此氮化镓技术已成为在移动和汽车应用中广泛采用的最爱。
除了无线充电在车厢中变得普遍外，它还可用于为电动汽车或插电式混合动力汽车充电。使用“充电垫”作为动力发送器，只需要将垫子放在车库的地板上，将汽车停放在垫子上，而无需“将汽车连接至插座”。为了确保安全和防止碰撞，车辆时刻注意其周边环境十分重要，车辆开得越快，“环境感知”系统需要更快得感知速度，并且它越需要准确地感知到潜在危险的距离。
如今，汽车制造商在这些与安全相关的功能中使用了各种传感器，包括超声波感应，微波雷达短程雷达和视频模式识别。近距离测距（LiDAR）传感器已开始在汽车传感应用中出现。尽管Lidow预计在汽车中会广泛应用，但是最初LiDAR传感器被用于生成三维数字地形图，用于景观地图和导航软件。因为LiDAR接近光速来提高分辨率，氮化镓能量晶体管的转化速度有10倍的优势，因此GaN FET几乎仅用于这些移动应用中。“使用eGaN FET的成像速度和深度分辨率变得非常好，以至于试验自动驾驶汽车的制造商正在将类似的LiDAR传感器用于无人驾驶导航系统。另外，一些汽车制造商正在合并基于eGaN FET的LiDAR传感器，以用于一般的碰撞避免和盲点检测。LiDAR拥有令人兴奋的未来，因为它是用于无人驾驶汽车的检测和引导系统。”Lidow表示。
同时，革新从内燃机到混合动力汽车，插电式混合动力汽车，再到全电动汽车的演变，也可能是氮化镓技术的巨大市场。电力需求与电动机处理的推进量成正比。根据特斯拉（www.tesla.com）的说法，S型向后轮提供310 kW的电能。为了使电流以最小的传导损耗流过电动机绕组，传递更多的功率来推进车辆需要更高的电压。如今，电动或混合动力车辆推进系统中的主要晶体管是IGBT，其电压范围为500至1200V。较低的开关频率，并具有在更高温度下工作的能力。电机驱动器的要求位于氮化镓，碳化硅和IGBT技术之间的接口。最终，电驱动系统的成本和可靠性将决定该应用的赢家，但就目前而言，还为时过早。” Lidow预期。 “将来，随着电动汽车获得认可并变得越来越普遍，用于动力总成的电机控制有可能成为氮化镓晶体管的巨大市场。 氮化镓，碳化硅和IGBT等竞争技术中的问题将是成本。汽车工业正在经历技术中断，并正在利用高性能氮化镓技术。 氮化镓设备出现在数量不断增加的系统中，未来的前景更加广阔。如上所述，明显有几个领域正在出现。
作为一个实际的例子，基于EPC的200 V氮化镓晶体管的50W隔离的DC/DC转换器设计方法论在PCIM Europe 2016被授予最佳论文，这是用于飞机设备电源的。这项工作的特殊性是针对两个不利条件（即宽输入电压和高效率）的全转换器设计。 在高频应用中，由于其低输出电荷，使用氮化镓晶体管可带来效率的真正提高，这似乎是显而易见的。 在软开关拓扑中，设备输出电荷对实现ZVS条件所需的能量有重要影响，提供更大的功率存储和传输周期自然意味着更高的效率。氮化镓晶体管的另一个优点是栅极总电荷低，漏极至源极的导通态电阻低，分别降低了驱动功率（损耗）和传导损耗。 与具有类似功率特性Si MOSFET相比，所有这些功能均以更小的封装实现，并具有更少的寄生电感。 在标称输入电压（28 V）下，效率接近92％，而在18V输入电压下，峰值效率为95.5％。
当然，在基于氮化镓系统设备（GS66508P e-mode GaN功率晶体管）的高电压范围内最让人印象深刻的设计是赢得今年初Google的Little Box Challenge获奖设计。 “小盒子挑战赛”是由Google和IEEE电力电子学会举办的设计竞赛，旨在以最高功率密度（每立方英寸至少50瓦）和效率> 95％的功率逆变器设计创新，并获得1,000,000美元的奖金。据Google称，由于太阳能光伏电池和类似得能源持续发展，逆变器将在经济和环境领域变得与来越重要。受此奖项启发的发明将在这些领域具有广泛的适用性，从而提高效率，降低成本并打开我们今天无法想象新的用途。 其中许多改进都可以使数据中心更安全，更有效地运行
Google和IEEE电力电子学会向比利时CE + T的Red Electric Devils颁发了100万美元的奖金，用于设计，制造和演示能量密度最高，体积最小的逆变器。 挑战的关键目标是在40立方英寸以下的体积中达到超过50 W /立方英寸的逆变器能量密度，这是以前从未实现的壮举。 他们获奖的逆变器设计在14立方英寸中产生了143 W /立方英寸的功率密度，这要比Little Box Challenge的功率密度目标高出将近3倍，这要归功于氮化镓的力量。“比市场上销售的逆变器效率高10倍”。
新兴市场
尽管有了这些发展，氮化镓的市场相比于庞大的3350亿美元的硅半导体市场只占了很小一部分。根据Yole的调查，在2015年氮化镓的市场交易额只有1000万美元。“但是在再三考虑氮化镓之前，要记住产品刚出现在市场只占很小的市场规模是很常见的。”Lin 评论道。确实首批氮化镓的设备直到2010才开始商用。根据Yole的分析师称，最重要的关键点是氮化镓的潜力。确实他们预计氮化镓的交易会增长，在2021年会达到市场份额3亿美元左右，2016年到2021年复合年均增长为86%。“目前氮化镓能源市场主要有低电压（<200V）设备主导，但是高于600V的设备能够开始起飞。” Yole技术与市场分析师Zhen Zong评论道。KnowMade（www.knowmade.com）在其《用于电力电子的GaN：2015年专利调查》报告中表示，能源氮化镓行业涉及200多个专利申请人。这一数据表明能源参与者对氮化镓行业十分感兴趣。专利活动开始于2000年代，第一批专利出版物开始于2005-2009年期间，主要是美国和日本公司。第二波浪潮开始于2010年，出现了第一批商业化氮化镓产品，合作以及收购。“在今天能源氮化镓市场，深度分析来了解全球专利景象至关重要。这种方法帮助公司去预期变化，识别和评估商业机会，减弱风险以及做出决策选择。”KnowMade首席执行官Nicolas Baron评论道。“专利申请的时间演变已达到顶峰，我们预计新专利申请的速度将会放慢。同时在成功解决大量未决定的专利申请后，世界范围内被批准的专利将增加，我们相信第二批申请专利的顶峰结合有效专利的显著比例和大量的专利申请预示这氮化镓能源市场的未来发展”
