文章: 氮化镓正在推动功率半导体的发展

This article was originally published on www.eetimes.com on September 24, 2019, written by Maurizio Di Paolo Emilio.

氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)功率半导体器件正逐渐取代硅基器件，这主要是因为使用GaN或SiC功率晶体管可以带来更直接、更高效的储能解决方案。预计到2025年，GaN和SiC市场的总价值将超过30亿美元，并将在可再生能源和电动汽车的推动下大幅增长。我们生活在一个越来越多的数据中心、电动汽车、工业发动机蔓延的世界里。每个人都需要改善他们的能源使用情况。

实际上，由于使用了氮化镓，因此可以制造出比硅基电源效率更高的电源，能够用更少的元件提供更高的电流，从而大大缩小了装载机的体积。

我们采访了氮化镓系统 (GaN Systems)公司战略营销副总裁Paul Wiener，就GaN的挑战和未来的发展进行了采访。氮化镓系统 (GaN Systems)公司在汽车领域等多个工业领域提供各种解决方案。

EE Times：GaN技术可能是当今和未来各种应用中无可争议的明确解决方案。尤其是与其他宽带隙材料相比，GaN的重要性不可比拟。您对GaN技术的应用对市场的发展有何期待？

Wiener： 各个市场的电力需求都在增加，预计全球对电力的需求将从现在的2.5万TWh增加到2050年的3.8万TWh。在行业层面，全球800万个数据中心的能源使用量占全球能源使用量的2-3%，预计这一比例将上升到5%以上。工业电机的能耗占30%，而且还在不断增长，到2040年，电动汽车将成为全球能源消费的大户，占全球能源消费的5%。氮化镓可以减少所有这些系统的损耗。

GaN在推动功率半导体的创新方面具有重要意义。GaN正在满足新的器件要求，即更高的功率和性能、更高的效率和更小的尺寸。

与SiC等宽带隙半导体相比，GaN在成本和材料的可得性、性能以及中低电压要求的设计机会等方面，都提供了更有利的效果。

与SiC相比，使用GaN构建的系统具有更大的功率密度改进。其栅极电荷低、反向恢复为零、输出电容平坦等优点都能带来高质量的开关性能。随着时间的推移，可以轻松预测GaN价格与硅竞争，特别是由于GaN是在硅片上生产的。

现在，我们看到了GaN引领的下一次电源革新。几年前，GaN还停留在大学的研究实验室里，而如今，像Denso、Sonnen和Supermicro这样的知名公司已经描述了GaN功率半导体如何改善他们的系统。许多公司已经在其生产的产品中利用了GaN的优势。同时，GaN生态系统也更加强大。驱动器和磁性件，以及对如何使用它们的理解变得更加清晰可见。

EE Times: 您认为未来有哪些挑战会影响到电力解决方案，您计划如何发展您的成套产品以应对这些挑战？

Wiener: 虽然GaN供电的器件已经开始商业化，但使用这些电压的产品创新空间还很大。因此，100V和650V的GaN器件正在服务于电力系统的当前和近期的需求。

同时，我们还需要不断地追求更高效、更小以及更低的成本。这需要我们不断创新产品设计和封装技术。此外，该生态系统将创造出控制器和磁控器，以利用GaN性能不断提高的优势。

EE Times: 热管理在电力应用中的重要性有多大？能举个例子吗？

Wiener: 热管理是非常重要的。高功率系统中的高效率一直是重点。客户都希望GaN能够帮助他们。例如，在基于硅MOSFET的20kW系统中，95%的效率意味着1000W作为热量被浪费掉，而不是作为功率被利用。而采用GaN后，损耗可以减少50%，从而降低了管理热量所需的成本和面积。

我们通过各种方法来解决这个问题。首先，我们为我们的芯片设计了嵌入式封装，通过有效地将热量从器件中抽出，实现了输出功率的最大化。我们还为我们的器件开发了IMS(绝缘金属基板)系统，以进一步管理高功率应用中的热敏电阻。最后，对于我们的最高电流的器件，包括最近发布的150A器件，这部分是作为芯片产品销售的，这样电源模块公司就可以直接将其封装到他们的模块产品中，以最大限度地进行热管理。

EE Times：电动汽车被认为是一种绿色技术。GaN系统在这个应用中的参与度有多高，你们在改进技术方面做了哪些工作，比如说提高电池电源管理的效率？

Wiener： 氮化镓系统 (GaN Systems)公司在电动汽车和自动驾驶汽车市场上有大量的应用。应用领域包括车载电池充电器(OBC)、DC/DC转换器和牵引式逆变器。在所有这些应用中，客户都表现出尺寸和重量都在3-5倍的范围内减小，运行效率提高了几个百分点。最有趣的是，与硅相比，GaN的系统成本通常不会比硅高。这些改进为电动汽车公司提供了几个好处，包括更长的续航里程的车辆；更小的、更低的成本电池；由于系统更小，也许是风冷而不是水冷，优化的系统在车内的布局也是一个新的设计自由度（图2）。

 

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请在www.eetimes.com上查看本文原文，2019年9月24日发布，作者为Maurizio Di Paolo Emilio。
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