本帖最后由 zhangzihanzdj 于 2016-9-30 19:34 编辑
氮化镓功率产品的探析 众所周知，如今不管在个人消费电子产品亦或是通讯设备、新能源汽车以及家用电器，如何提高开关电源的转换效率、功率密度，延长电池寿命，已经是电子工业界共同挑战的热门课题。这就预示着电子产业不得不去探寻新的功率的半导体材料。有数据显示，用新型功率材料GaN做成的产品将有望在2020年获得百分之百的年复合增长率。相比硅功率半导体材料，它具有更低的反向充电和更低的恢复时间，凭借它的这些优异特性，GaN器件在电源设计领域锋芒毕露，在新兴应用中发挥更高的效率，逐渐获得了日益广泛的应用。 在整个 功率器件发展长河中，我们可以结合下面图1看看 功率器件的演变过程以及整个功率器件未来技术发展的大方向。上个世纪70年代第一个可控硅出来，随着时间和技术的推移功率密度要求变得逐渐提升，后面二级的晶体管出现，慢慢到90年代末出现了IGBT。21世纪初整个技术领域界就提出硅基产品各个技术指标已经达到了物理极限。现在要让开关频率进一步提高，有什么办法呢?纵观世界，现在整个市场上有两个新的功率材料，一个是氮化镓，另外一个就是碳化硅。
图1 那么我们今天的主角说的就是氮化镓。下面这个表格列出了市场上我们比较常用的碳化硅和氮化镓的基准，其实说穿了就是材料本身的比较。通过这个表简单阐述这两种材料的几个特点：碳化硅和氮化镓两个材质各有各的特点。氮化镓和碳化硅最大特点是开关频率可以做的很高，材质比较适合应用在高压的场合。先说氮化镓，它的电子流动性会比较高，开关性能好，也就是可以长时间开和关，在实验室做起来可以有很高的开关速度。大家现在可以看到市面上很多射频产品其实都是基于氮化镓做的，甚至包括跑到5、6G的高频产品，由此可以看出氮化镓的开关性能特别好。而碳化硅则是另外一种材质，它的高压性能比较好一些，高温的性能比氮化镓好一些。这是现有的两种功率器件的不同点。 基于它的这些特征再延伸下去，氮化镓做成的HEMT(高电子迁移率晶体管)，把横截面切开，从半导体的结构来看跟普通MOS管不一样，电流是横向流动，在硅的衬底上面长出氮化镓。特别是功率器件，它的源极垂直往上的，上面是源极流到漏极，与传统的MOS管流动不同。让碳化硅和氮化镓做一个比较，这里有个数据需要关注一下：载流子能力，它代表的是电流的力度，直接反应的就是功率多少安培，氮化镓可以做到1500，而碳化硅只有是600。这个数字直接反应的是器件的运行速度和开关的速度。基于这两个特点，它会带来氮化镓的功率管和其他不同的特点。 目前所有的产品在技术和研发上有两个方向，一个是上电的管子是关着的，还有一种是上电以后管子是打开的。基本上第一个产品是没有办法用的，因为一上电管子就关了。曾经有个M公司，他们在第一个管子上面人为的做成常关，随着时间变长可以加速，原来5V可以打开，到后面时间越长可能6V才能打开。所以长时间应用，跟原来用一两年前的产品不一样。这就带了问题，后面M公司想出了一个办法，用常开的产品达到常闭产品一样的性能，就是通过增加一个Cascode结构的低压MOS管，通过这个门级的低压来控制整个氮化镓的开关，换句话说虽然上面是开，但是通过这个MOS管可以把它变成关断的状态，从而控制它的工作。 那么这个结构会有什么好处呢?第一它的阈值可以非常稳定在2V。什么意思呢?简单的说就是给5V就可以完全打开，只有到0V就会完全关闭。第二个好处就是氮化镓的驱动和现在的硅基是兼容的，完全可以无缝的连接到氮化镓的功率器件上，这样就没有必要改成新的结构，这对工程师设计会带去很多方便。 可能你会疑问了：如果在这里加一个外围器件，会不会影响整个产品的性能?前面有介绍氮化镓的产品速度很快，反向会不会影响它的速度呢?答案是不会影响。当你正向打通时，电流会从这里通到D那边。反向的时候，这个关的没有那么快，旁边有一个类似于反向快恢复二极管，电流可以通过这边“续流”掉。当这个开关通了之后，电流这边可以正常的流掉了，这样的设计就不会因为反向打通会延迟影响氮化镓芯片的速度。这样的结构会带来的结果就是产品的速度比较快。 前面讲的是氮化镓产品本身的特点，下面说一下这个材料给我们工程师实际应用中带来什么好处。 首先是应用在太阳能逆变，这是当今比较热门的产品应用。日本的一个厂商安川，在逆变器产品上它用的是氮化镓，三菱用的是碳化硅，结果得出的结果是，安川比三菱的少了28.8%体积。安川是11公斤，三菱的17公斤，重量安川比三菱小37.8%，尺寸和重量都有减少。最关键的是输出功率，安川是4.5KW，三菱的只有4.4KW。从这个角度可以看到氮化镓的优势很明显，可以把产品尺寸做小，重量做轻。 同样做4.5KW，按常规的硅基来做原来的效率是95，用了氮化镓之后效率增加到98。从体积来看，原来是18L，现在可以做成10L。这就是氮化镓带来的特有的优势，整个产品尺寸减少了40%，功耗损失减少了40%。既做小了体积又提高了效率，这是氮化镓产品带来的独有的优势。 接下来介绍一下在电脑电源主板上的应用。有个R公司做的一个电源主板，和其他做同样的输出功率、同样的效率的电源主板厂家，板子尺寸可以比其他厂家做的小40%，为什么呢？因为人家PWM是跑200KHz的氮化镓，而其他厂家现在跑的是50-80KHz。 最后做一个总结，看具体氮化镓的产品能够给业界带来什么优势。 首先，对工程师来说，用氮化镓的产品很容易去用，驱动的设计比较简单，兼容和优化现有驱动电路。现在国内几个电源大亨（包括台湾的台达、华为）都逐渐开始用氮化镓设计产品。 虽说氮化镓性能那么好，那么价格是不是让我们接受呢？由于其优异的性能，氮化镓开始推出来的时候价格是普通产品的3倍，随着量产这几年价格慢慢降低，可以做到1.2倍-1.3倍传统的这种价格。顺便提一下，前面我们说到的一个材质叫碳化硅，它的衬底都是碳化硅做的，碳化硅很硬，要钻石刀才能切。从未来成本的角度，氮化镓会比碳化硅更便宜，所以工程师可以放心使用，特别是高压的使用也没有问题。
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