下一代電力電子用氮化鎵器件

 荷蘭芯片制造商Nexperia贊助的最新工業行業活動的參與者表示，汽車、消費品和航空航天應用中的功率轉換等應用正在利用氮化鎵（GaN）技術的優勢。例如，Kubos半導體公司正在開發一種稱為GaN立方的新材料。Kubos首席執行官Caroline O'Brien說：“這是立方形式的氮化鎵，我們不僅可以在150毫米及以上的大規模晶圓上生產，而且還可以擴展到更大的晶圓尺寸，并可以無縫插入現有的生產線。”。
其它人正在努力擴大寬帶隙（WBG）半導體在電源管理方面的應用范圍。英國電氣化專業公司里卡多（Ricardo）公司正在使用氮化鎵和碳化硅技術擴大其功率能力。里卡多的總工程師Temoc Rodriguez指出，特斯拉是第一家使用碳化硅代替絕緣柵雙極晶體管（IGBT）的汽車制造商，這引發了更多使用WBG材料的趨勢，以提高功率效率，同時減少功率轉換器的尺寸和重量。
Hexagem首席執行官MikaelBj?rk介紹了這家瑞典公司開發的GaN-on-Silicon技術，旨在降低成本，同時增加未來應用中的擴展優勢。Bj?rk說：“我們正在考慮對額定電壓提出更高的要求。”。
活動贊助商Nexperia指出，每一種新一代GaN技術都會在性能上持續穩步提升，這一提升可能會超過硅目前的成本優勢。支持者認為，硅技術的進步是微乎其微的。 應用領域
隨著降低二氧化碳排放的壓力增大，從汽車到電信等行業正被推動投資于更高效的功率轉換和電氣化。硅基功率半導體技術（如IGBT）在工作頻率和速度方面存在基本限制。它們還表現出較差的高溫和低電流性能。高壓硅場效應晶體管的頻率和高溫性能同樣受到限制。這些限制促使更多的應用設計者考慮WBG半導體。
Kubos Semiconductor的O'Brien說：“在應用市場，隨著設計空間的縮小和效率的提高，我認為GaN能夠實現以前未被認可或廣泛應用的應用，例如小型****。對于較小的系統設計來說，這是一個真正的機會。”
關鍵特性是開關的頻率特性，特別是在高達5–10 kW的DC/DC轉換器應用中。Rodriquez補充道：“可以考慮在電信和能源領域，同時也在消費電子領域應用該技術。以DC/DC轉換器為中心的大量應用可提高效率并節約能源。”
除了更高的電壓，Hexagem的Bj?rk在優化GaN器件生產以降低成本的同時，強調了晶圓的可擴展性。Bj?rk預測：“目前，150毫米晶圓是市場的關注點，但未來[生產]可以擴展到200毫米晶圓。而且，可能會有300毫米晶圓的嘗試。”。
GaN-on-Si技術是應用最廣泛的技術之一，在器件開發方面沒有很好的聲譽。“氮化鎵和硅具有非常不同的晶格常數，所以它們不匹配，”Bj?rk說：“在將GaN材料附著在硅上之前，你必須生長出相當復雜的不同層。當這樣做時，會產生許多有害的缺陷、位錯、耗損和過早破壞。
“另一個問題是GaN和硅之間的熱膨脹系數不匹配，”他補充道：“當將其生長環境加熱到到約1000?C，然后冷卻這兩種材料時，它們會以不同的速率收縮，最終會破壞結構。”
Nexperia的GaN應用主管Jim Honea說：“與此同時，從車載充電器和DC/DC轉換器到牽引和輔助逆變器等汽車應用都在利用GaN技術。電動汽車用大型電池的開發創造了許多過去沒有人想象過的應用。”。
此外，Nexperia的DilderChowdhury指出，低Qrr或反向恢復電荷有助于簡化濾波器設計，從而提高開關性能。GaN功率晶體管也可通過共用柵極驅動電路并聯使用。高電壓和開關頻率是最大的挑戰，尤其是對硅器件工程師而言。
隨著電動汽車制造商尋求提高行駛里程，氮化鎵功率集成電路（GaN power IC）作為一種在提高效率的同時減小尺寸和重量的方法，正在獲得更多重視。
GaN可用于設計更小、更輕的電力電子系統，與硅基系統相比，具有相當的能量損耗。零反向恢復，減少了電池充電器和牽引逆變器的開關損耗，以及更高的頻率和更快的開關速率，這些都是好處之一。此外，降低開關的開通和關斷損耗有助于減少電動汽車充電器和逆變器等應用中電容器、電感器和變壓器的重量和體積。
支持者們斷言，WBG技術為功率轉換設計師提供了提高效率和功率密度的新方法。與硅器件一樣，單GaN器件的電流處理能力仍有其上限。實現GaN器件并聯是一種常見的方法。GaN的功率可以進行縮放，Honea說：“通過將氮化鎵晶體管并聯，我們可以擴大功率。然而，如果將它們并聯，諧振的可能性會成倍增加，必須確保不會激發和放大它們。”
來源：星辰工業電子簡訊