“兽中之王”宝座,值得大GaN一场

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本文来自与非网
 
历史惊人般巧合,GaN义无反顾走上MOSFET老路,而登上“兽中之王”宝座的途中,GaN产业链上下游还需做哪些准备?
 
横向比较,汽车领域是否能成就GaN霸业
 
最近,在PCIM Europe 2020、SEMICON China 2020等一些与功率半导体相关的国际会议上,以GaN(氮化镓)和SiC(碳化硅)为代表的宽带隙(WBG)半导体继续占据着演讲台的“C位”,尤其是GaN在未来汽车中的角色更是令人兴奋,为未来很长一段时间的行业发展带来了机遇。
 
今天就谈谈GaN和汽车究竟是什么关系,当然也少不了提及其同门兄弟SiC。
 
历史惊人般巧合“兽中之王”换氮化镓做一做?
 
历史总是惊人地相似。EPC公司CEO兼共同创始人Alex Lidow博士讲了一个故事:“44年前,当我第一次开发功率器件时,‘兽中之王’是硅功率双极晶体管。”1978年,他的国际整流器公司(IR)推出了功率MOSFET,作为一种更快速度的替代品,它取代了较慢和老化的双极器件。功率MOSFET的早期采用者是两极不够快的应用。其采用的标志性例子是台式计算机开关电源,先是苹果,然后是IBM。
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图源 | gan-vehicle.jp
 
他说,直到20世纪80年代中期,功率MOSFET的量产才使功率MOSFET的成本与双极晶体管相当。那时,IR发起了替代双极晶体管的进攻,目标是占据双极晶体管市场最大份额的摩托罗拉。作为回应,摩托罗拉强调,MOSFET存在可靠性、高价格和不可靠的供应链等问题。
 
尽管如此,功率MOSFET仍然在双极晶体管之前占主导地位的应用中获得了认可。摩托罗拉认识到这项新技术的优势,也推出了功率MOSFET,并承诺两项技术“我们都做,所以从我们这里购买最好”。问题是,它没有做出最好的功率MOSFET,最终输掉了半导体材料之争。
 
具有讽刺意味的是,如今功率MOSFET是“兽中之王”,而硅基氮化镓(GaN-on-Si)功率器件则是挑战者。GaN晶体管开关比MOSFET快10倍,比IGBT快100倍。GaN是不是会复制功率MOSFET的成功历史呢?
 
堂前燕飞入百姓家 GaN可能无处不在
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GaN功率器件正向大功率进发
 
去年,GaN功率器件的开始了旧时王谢堂前燕飞入寻常百姓家的变化,今年初更是出现了新产品目不暇接的局面,GaN终于迎来了自己的颠覆时刻。尽管其总的市场份额仍然很低。随着成本下降,预计到2025年这些器件的年复合增长率将接近30%。
 
为了使产品在竞争中脱颖而出,或实现无法达到成本和性能目标的一些产品,GaN已进入电子行业的视野,其性能、可靠性和解决方案引起了业界广泛关注。在这方面,GaN Systems销售和营销副总裁Larry Spaziani有话要说。
 
他指出,宽带隙市场的推动力在于,其材料具有比硅相宽很多的带隙,可以在高电压、高温度和高频率下工作,满足不断增长的提高能源效率和延长电池寿命的需求。“GaN会走向何方呢?它几乎无处不在。这一预测可以从各细分市场的亮点和进展中看出。”Larry Spaziani说。
 
AC/DC
 
2019年末,GaN已出现在适配器中,2020年开始大规模量产。功率密度要达到100W/in3,效率达到99%,就必须使用宽带隙。先是SiC二极管进入市场,而现在GaN开始在服务器开关电源领域占据主导地位。
 
服务器电源正在向48V和100V的GaN和低压硅结合的方向发展,这一趋势已经显现。到2024年,几乎每台服务器的AC/DC侧都将由宽带隙控制,在48V AC/DC侧将有显著的GaN含量。
 
电机
 
作为全球耗电大户,尽管电压很高,硅仍然是主流。不过,GaN和SiC都在向高效率变频驱动的电机驱动系统进军。但这个市场非常保守,适应新技术的速度很慢,到2025年将有10%到15%的替代率。
 
消费市场
 
高端产品已开始转向GaN,到2025年中后期将达50%。例如,电视机中的高频AC/DC电源可以做成超薄型。目前,大部分高端音响系统也改用了GaN。
 
太阳能储能
 
接受新技术时非常谨慎。但在过去5年,宽带隙产品已经慢慢地渗透到这个市场。虽然GaN比SiC好,但GaN没有太阳能逆变器所需的高电压。
 
军事部分
 
该领域更需要高性能、小尺寸和低重量,对成本不敏感,这是GaN和SiC最快的采用者之一。正是这个市场证明了宽带隙优于其他产品的可靠性。
 
未来,汽车将是宽带隙产品的最大市场,由于更高的性能和更高的可靠性,GaN将在2020年和2021年迎来大规模采用,重点是电动汽车的车载充电器(OBC)、AC/DC功率转换和牵引逆变器。
 
全GaN汽车的证明
 
在PCIM Europe 2020上,GaN Systems首席执行官Jim Witham介绍了一款All-GaN(全氮化镓)汽车。
 
其是此前名古屋大学利用GaN Systems的技术开发。它采用可再生能源的太阳能蓄电池,证明了GaN在汽车功率转换方面的可行性,当然也适合所有需要更高电压、频率、温度和效率的应用。
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太阳能全氮化镓汽车
 
Jim Witham认为,从2020开始,电动汽车行业已建立了积极的性能目标,从业者通过分析每个关键电子系统所需的性价比,得出了针对消费者、汽车制造商和Tier 1的以下未来目标。
 
车载充电器成本将从50美元/千瓦降至35,降低30%;比功率(千瓦/公斤)将从3增加到4,重量下降30%;功率密度(千瓦/升)将从3.5增加到4.6,体积下降33%;效率将从97%增加到98%,损耗下降33%。
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硅与氮化镓车载充电器的比较
 
DC-DC转换器成本将从50美元/千瓦降至30,成本降低40%;比功率(千瓦/公斤)将从1.2增加到4,重量下降70%;功率密度(千瓦/升)将从3.0增加到4.6,体积下降50%;效率从大于94%增加到98%,损耗下降60%。牵引逆变器成本将从8美元/千瓦降至6,成本降低25%;功率密度(千瓦/升)将从4.0增加到33,体积下降88%。
 
可以发现,这里给出的汽车用GaN的用途与下面EPC(宜普电源转换公司)CEO兼共同创办人Alex Lidow博士介绍的几种GaN应用还是有区别的。
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氮化镓汽车应用
 
Jim Witham表示,GaN除了能实现4通道、纳秒脉冲高分辨率的远距离激光雷达,实现480W远距离光功率,使性能提高10倍之外,还可利用其高频无线充电的优势,实现座舱内无线充电,即高功率、快速对多部手机同时充电,手机可随意放置,且不受异物干扰。
 
汽车应用繁多值得大GaN一场
 
彭博新能源财经数据显示,2018年电动汽车年用电量为60太瓦时(TWh),到2040年,如果电动汽车使用量增加7%,用电量将达到2333太瓦时。只有采用宽带隙半导体才能推进节能减排。
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电动汽车年用电量走势
 
氮化镓技术为什么能够推动车载系统的发展呢?Alex Lidow博士介绍了四个方面的应用:车载信息娱乐系统DC-DC转换器、无刷直流(BLDC)汽车电机、自主导航光检测和测距(激光雷达)及48V轻混动力(MHEV)汽车。
 
车载娱乐
 
到2022年,全球车载信息娱乐系统出货量将达1.83亿台。其中的触摸屏、蓝牙通信、数字和高清电视、卫星广播、GPS导航、高级驾驶员辅助系统(ADAS),甚至游戏应用都增加了功率系统的要求,而仪表板实现这些电源的空间却非常有限,散热也是一个严峻的挑战。
 
无刷直流电机
 
目前平均每辆车有10个电机,运行的功能包括门锁、行李箱锁、天窗、气泵、通风系统、电池管理、加热控制、电动转向等。
 
随着汽车转向48V母线架构,采用30W至1kW功率级的BLDC比有刷或交流感应电机更具优势。基于GaN器件的48V车用电机驱动还可以在高于可听频谱频率下高效工作,具有更强有力的转矩和更高的效率,有助于更长的电池续航时间。
 
48V轻混动力
 
预测计到2025年,全球销售的每10辆汽车中将有一辆是48V车。48V系统有助于提高燃油效率,在使用相同大小发动机的条件下实现多四倍的功率,还可在不增加系统成本的情况下实现二氧化碳减排。
 
激光雷达
 
在ADAS中使用激光雷达比雷达更好,GaN FET的一些关键参数正好可以发挥激光雷达传感器的优势,这是硅器件所无法实现的。
 
GaN器件可在很高的峰值电流工作,增加距离帧测能力。超低的栅极电荷、栅极阻抗和电感都有助于提高激光雷达系统的图像分辨率和帧速。GaN器件采用芯片级封装,设计人员可以将GaN驱动电路放在靠近激光的位置,实现快速转换,提高帧速和分辨率。
 
GaN之于汽车封装结构更重要
 
众所周知,传统芯片封装的内部都有金线或铜线连接内部单元和芯片封装的引脚,即焊线。这是芯片制造中非常成熟的工艺。
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芯片内部的焊线工艺
 
功率器件大多采用传统TO-220、TO-247和D2PAK-7封装,以处理大多数高功率应用的电压、电流和散热问题。这些器件很容易贴合散热器,确保出色的散热效果。但其长引脚会产生寄生电感,成为高频开关的限制因素。因此,现在GaN器件通常采用LGA或QFN封装及专有的GaNPX®嵌入式封装,但也都离不开内部焊线。
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常见的传统封装形式
 
随着汽车电气化、数据中心和5G通信高效电源的应用,市场正进入快速开关、高压大功率宽带隙半导体器件的新时代,650V及以上电压的新标准应运而生。虽然半导体技术在不断发展,但这些器件的功率封装仍在延用传统形式,使器件的功效大打折扣。
 
一直为MOSFET和GaN产品构思和开发各种封装设计的Nexperia(安世半导体)封装工程师Ding Yandoc表示,很长时间,高压应用迫使设计师不得不使用TO-220、TO-247及D2PAK-7等传统功率封装形式。但随着开关频率不断提高,特别是引入了GaN之后,这些传统封装的限制便显现出来。
 
Ding Yandoc承认,高压功率FET也有D2PAK-7表面贴装方案,就像TO-220一样,已成为行业认可的主流封装。即使这类封装没有长引脚带来的寄生电感问题,但其芯片内确实有焊线。随着电路板空间和元件高度的不断减小,需要考虑利用电路板散热,因此这类封装也遇到了一些问题。
 
他认为,封装的创新必须跟上半导体技术的节凑,在一些应用中,传统封装方案的能力绰绰有余,但为了充分发挥新型高压宽带隙半导体的优势,开发新的封装方案刻不容缓。此前已在采用的铜夹片技术在优化电气和热性能方面是很好的选择,可以引入到GaN器件当中,特别是采用LFPAK和CFP封装的双极性晶体管、MOSFET和整流二极管。
 
除了电气和热性能优势,相比传统通孔和QFN封装,铜夹片技术还能实现电路板级的高可靠性和焊点的高级光学检测(AOI)。为了适应级联结构GaN FET,提供可扩展的引脚尺寸,新封装还引入了几种功能,如利用Nexperia第二代H2氮化镓技术,将高HEMT栅极放在芯片底部,改善了动态RDS(on),无需浮动衬底,能够用同样芯片尺寸实现更多芯片单元。
 
此外,通过外部连接实现了基于级联结构器件在HEMT栅极和硅FET源极之间的连接,但需要更改电路板布局,为此,芯片内部引入了多个支柱,既可保证一定的冗余设计,又提高了散热性能。
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内部和外部栅-源连接都采用内部连接方案
 
创新的CCPAK封装将铜夹片封装技术的所有优点应用在了650V及更高电压的应用。其显著特点之一是12mm×12mm外形尺寸,比D2PAK-7减少了10%,高度只有2.5mm,几乎是D2PAK-7的一半。这意味着,在相同的空间内可以容纳更大的芯片,客户还可以用相同引脚尺寸实现更高电压的产品组合。
 
写在最后
 
硅器件的可靠性已被30多年应用所证明。宽带隙半导体要由谁来证明呢?答案正是需要更高可靠性的电动汽车等新兴市场。
 
正如Steve Tom所说,时下对电源效率的需求越来越紧迫,功率系统设计师不必再等待GaN革命的爆发。就在今天,GaN的集成化解决方案,加上可以随时利用的各种针对广泛应用的参考设计,既可以缩短开发时间,又可以简化设计,让世界变得更智能,更环保。
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