专访PI副总裁：氮化镓还可以走多远？

  Doug Bailey：对于氮化镓 (GaN)，效率是影响其他一切的关键驱动因素，由此产生更少的热量、更小的尺寸和更低的成本。 电力领域的基本市场驱动因素是效率和成本。 效率不仅受到监督管理要求的推动，也受到市场对更小、更轻的电源要求的推动。从成本来看，PI发现，对于具有更高规格的高端电源，GaN是成本最低的方法，因为它节省了散热和复杂拓扑所需的额外开关损耗。

  但优化 GaN 的潜力需要新的系统级思维。不再需要被迫使用为硅所发明的旧拓扑，因为 GaN 更接近于理想开关。我的意思是，GaN 器件的开关速度很非常快，它们有很低的栅极电容和非常低的输出电容 COSS。 但这带来了一系列不同的设计挑战。PI发现使用 GaN 的最佳方式是围绕它构建一个系统。 因此，我们在 GaN 中创建子系统，例如 InnoSwitch反激式电源 IC、功率因数校正 HiperPFS-5器件和 LytSwitch-6 LED 驱动器等。 我们已将 GaN 器件推向市场，这一些器件应用在笔记本适配器、手机适配器、小型电源、LED 照明等行业，而且未来还会有更多产品。

  PI正在遵循相同的碳化硅系统级策略，我们也看到了相同的系统级优势。 在选择使用哪种宽禁带技术时，我们考虑的差异在于电压水平：我们在 1700 伏产品中使用碳化硅，因为其目标是 800 伏汽车应用；但对于400伏汽车应用，我们大家都认为 GaN 是最理想的解决方案。

  Doug Bailey：这是一个复杂的答案，但我认为产品尺寸是决定因素。从尺寸可以计算出可用的热量预算（以便将合适的电源系统安装到该机柜中）。 由此，设计人能评估他们要使用那种功率元件以及哪种拓扑结构。GaN 的优点是其开关成本较低，这在某种程度上预示着它可以在不使用谐振拓扑的情况下进行开关，类似使用硅实现的结果。但是当使用硅时，需要采用谐振 (LLC) ，这就需要添加更多开关，因此成本更高。而且您会失去动态操作范围，因此会引发输入或输出电压限制的问题。

  需要权衡的是采用复杂硅拓扑与采用新技术的成熟度之间的权衡。PI相信GaN新技术经过验证、可靠且坚固耐用，而且它还提供最低的系统成本。 因此，我们提议使用 GaN 解决方案而不是 LLC，尽管我们的组合中也有 LLC。 我们提议使用简单的 GaN 反激式电源，而不是更复杂的谐振电源，因为反激式电源具有灵活性。

  Doug Bailey：PI是一家子系统公司，而不是一家 GaN 晶体管公司，是因为我们将开关、GaN、SiC 或硅与其他功能一起集成到一个封装中，以提供集成电源解决方案。 我们并不是试图制造最佳封装来满足功率 FET 的需求，而是为小型反激电源、PFC 器件或 LED 驱动器的多芯片子系统创建最佳封装。 因此，我们的封装挑战是独一无二的。 但PI的根本原则是最大限度地减少引脚数量和封装尺寸，同时考虑到爬电距离的限制，宽禁带半导体并没有一点根本上的改变。

  考虑到这一点，PI生产最适合电气、热力和机械级别电源的定制封装。 当我们设计封装时，我们会考虑：

  PI在封装方面不停地改进革新。 例如，几年前，我们推出了 Fluxlink，这是一种通信技术，无需用任何磁性材料或光耦合器即可跨隔离栅传递反馈。FluxLink 提供非常高的通信带宽，能轻松实现更快的负载瞬态响应。但由于 FluxLink 是一种基于引线框架的方法，因此个人会使用标准冲压工具和标准模塑技术。因此，尽管使用多芯片模块方法，但我们不会增加任何成本。

  Doug Bailey：关于热管理的一般评论是，PI发现更多的 GaN 比更多的铝更便宜。换句话说，最好首先增加 GaN 晶体管的尺寸并产生更少的热量，而不是随后尝试机械散热加风扇的解决方案。 毫克级的氮化镓比公斤级的铝便宜。

  具体来说，最重要的设计考虑因素之一是确保散热器位于源头。 因此，PI确保其器件的封装引线框架中有大量金属暴露出来，可供焊接。有时我们在器件背面有散热，有时我们在一侧有散热。

  Doug Bailey：由于 GaN 接近理想开关，因此我的观点是，当 GaN 可以时，GaN 就应该这样做。 我认为 GaN 基本上会在较低电压下占据主导地位——电源电压可达 1200 伏； 本质上，在达到一定功率水平时，GaN 将变得无处不在，特别是对需要在整个负载范围内保持高效的应用而言。 这取决于GaN的技术发展：随着GaN电压的提高，它将取代碳化硅，随着载流能力的提高，GaN将取代IGBT。关键字：引用地址：专访PI副总裁：氮化镓还可以走多远？

  氮化镓(GaN)是一种III-V族宽能隙化合物半导体材料，能隙为3.4 eV，电子迁移率为1,700 cm2/Vs，而硅的能隙和电子迁移率分别为1.1 eV和1,400 cm2/Vs。因此，GaN的固有性质让器件具有更高的击穿电压和更低的通态电阻，这就是说，与同尺寸的硅基器件相比，GaN器件能处理更大的负载，能效更高，物料清单成本更低。 在过去的十多年里，行业专家和分析人士一直在预测，基于GaN功率开关器件的黄金时期马上就要来临。与应用广泛的MOSFET硅功率器件相比，基于GaN的功率器件具有更高的效率和更强的功耗解决能力。这些优势正是当下高功耗高密度系统、大数据服务器和计算机所需要的。 选用困境 一方面，

  发展新篇章 /

  Nexperia公司做了一份报告《Application Specific MOSFET s and GaN Solutions for the Automotive Market》，主要从GAN的视角来看，里面一些内容可以让我们仔细讨论下。 从全球来看，豪华电动汽车趋向于采用800V系统，核心优势是电流小（铜线少）、更低的传导损耗和更快的充电速度。芝能认为2025年，中国的15万在研产品都会跟进800V系统，我们能看到60kWh以上，价位段20-30万主力区间都是800V。 也就是说，从目前来看，围绕成本优势来看，短期内大家想用性能来冲击原有格局的，一定会上800V。在这里预测了功率区间的选择，我们大家可以重点探讨下，是否是有

  在汽车里面的应用 /

  未来高压氮化镓器件在工业和能源应用市场将会有更大的发展空间 氮化镓器件是第三代半导体中的典型代表，具有极快的开关速度，能够明显提升功率变换器的性能，受到电源工程师的青睐。同时，极快的开关速度又对其动态特性的测试提出了更高的要求，稍有不慎就会得到错误结果。 传统氮化镓器件多用于消费类电子市场，研发高压氮化镓器件将有利于在电力电子、新能源和电动汽车行业开拓新的应用市场。量芯微（GaNPower）是全球第一家推出1200V高压硅基氮化镓功率器件的厂家。这次测试的1200伏TO-252封装的氮化镓器件GPIHV15DK，在市场上具有标志性意义，传统的氮化镓功率器件最高电压普遍停留在低压应用。 为了可以实现对GaN HEMT功率

  HEMT功率器件动态特性测试 /

  日前，氮化镓供应商Power Intergrations（PI）宣布推出集成900V氮化镓(GaN)InnoSwitch3-AQ，为工业和汽车应用增加更高功率，更高效率，更高电压以及更高可靠性的产品，继续补充InnoSwitch3系列组合。 “对于不同的输入电压，不同的输出功率，PI有各种不一样的材料对应的功率器件，以实现用户的不一样的需求。”PI资深技术培养和训练经理阎金光在介绍InnoSwitch3-AQ新品时说道。 根据不同电压选用合适的功率开关 InnoSwitch3-AQ之所以要在功率、效率以及电压方面做提升，主要是源于终端市场的需求革新。 无论是汽车还是工业市场，功率需求都是在不断的提高，包括更高性能的处理器、更多无

  InnoSwitch3-AQ，加速取代12V铅酸电池 /

  半导体行业从诞生至今，先后经历了三代材料的变更历程。第三代半导体材料主要是以碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）、氧化锌（ZnO）、金刚石、氮化铝（AlN）为代表的宽禁带（禁带宽度 Eg 2.3eV）的半导体材料。 据了解，我国把大力支持发展第三代半导体产业，写入“十四五”规划，计划在2021-2025年期间，在教育、科研、开发、融资、应用等等每个方面，大力支持发展第三代半导体产业，以期实现产业独立自主。 与我们熟悉的传统第一代、第二代半导体材料硅（Si）和砷化镓（GaAs）相比，第三代半导体具有禁带宽度大、击穿电场高、热导率大、电子饱和漂移速度高、介电常数小等独特的性能，使

  近年来，由于氮化镓(GaN)在高频下的较高功率输出和较小的占位面积，GaN已被RF工业大量采用。根据两个主要使用在：电信基础设施和国防，推动整个氮化镓射频市场预计到2024年成长至20亿美元，产业研究机构Yole Développement(Yole)的研究报告说明，过去十年，全球电信基础设施投资保持稳定，在该市场中，更高频率的趋势为5G网路中频率低于6GHz的PA中的RF GaN提供了一个最佳发展的动力。 自从20年前第一批商用产品出现以来，GaN已成为射频功率应用中LDMOS和GaAs的重要竞争对手，并以更低的成本逐步的提升性能和可靠性。第一个GaN-on-SiC和GaN-on-Si元件几乎同时出现，但GaN-on-SiC在技

  射频市场预计突破20亿美元 /

  场效应晶体管（15 V 的EPC2216）使得 ToF激光雷达系统“看得”更清晰

  宜普公司(EPC)宣布15 V的EPC2216成功通过AEC Q101认证，专为需要高准确性的激光雷达应用而设计，例如全自动驾驶汽车，以及其它的飞行时间（ToF）应用，包括人面识别、自动化仓库、无人机及地图制作。 氮化镓场效应晶体管EPC2216 是15 V、26 mΩ、28 A脉冲电流、1.02 mm2占板面积的器件，很适合在激光雷达系统发射激光，因为它可以产生大电流、极短脉宽。短脉宽可实现更高分辨率，而小尺寸及低成本使得氮化镓场效应晶体管是ToF应用的理想器件，其应用场景范围广阔，包括车用、工业、医疗保健，以致智能广告、游戏及保安。 要完成AEC Q101测试，宜普（EPC）公司的氮化镓场效应晶体管通过了在严峻环境下及偏压测试

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  2016年6月2日，领先的高性能模拟射频、微波、毫米波和光波半导体产品供应商MACOM Technology Solutions Inc. ( MACOM )日前宣布推出其针对大规模固态射频能量商业应用而优化的全新塑封300W硅基氮化镓功率晶体管产品MAGe-102425-300。借助于第四代氮化镓(GaN)的技术优势，全新的MAGe-102425-300突破原有的效率和功率密度的局限，在量产的情况下成本水平与LDMOS产品大致相当。 MAGe-102425-300展示出来的氮化镓性能和硅成本结构的完美结合，为固态射频能量打开了高效高精准的加热和能源的大门，使之广泛地服务于微波炉、汽车点火、照明系统，以及包括射频等离子照明、原料

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