氮化镓取代碳化硅，从PI开始？

在功率器件选择过程中，以氮化镓、碳化硅为代表的宽禁带半导体越来越受到了人们的重视，在效率、尺寸以及耐压等方面都相较于硅有了显著提升，但是如何定量分析这三类产品的不同？Power Intergrations（PI）资深培训经理Jason Yan日前结合公司新推出的1250V氮化镓(GaN)产品，详细解释了三类产品的优劣，以及PI对于三种产品未来的判断，同时还介绍了PI氮化镓产品的特点及优势。

目前随着消费类氮化镓供应商越来越多，PI正在努力扩展氮化镓在工业和汽车中的应用，尽量避免陷入内卷的红海中。实际上，目前PI已有超过一半以上氮化镓应用不再是手机适配器。

可同时提供三类产品的电源公司

“目前PI是为数不多同时提供三类产品的公司，并且有着丰富的产品组合。”Jason在PI推出全球额定耐压最高的单管氮化镓电源IC时说道，该IC采用了1250V的PowiGaN开关技术，也许是目前市面上唯一商用的1250V氮化镓产品，而这正是PI不断拓展氮化镓应用边际的有力证明。

结合此前PI所推出的不同种InnoSwitch3产品，目前PI已经通过在硅、氮化镓以及碳化硅上的广泛布局，满足了高中低母线电压下的应用。

更高耐压意味着什么？

随着母线电压越来越高，更高的耐压产品也在市场中的需求越来越高，但也会给器件带来更高要求，尤其是其耐压性要严苛得多。

首先，电压变化除了母线电压，还有变压器的反射电压以及漏感尖峰，三者相加的电压会远高于母线电压，因此需要有更多的开关裕量。

另外，在某些工业类高压应用中，又或者是电网不稳定区域，发电机启动瞬间或雷击等会造成浪涌，也会这对后面的电源耐压是一个巨大挑战。

相对于硅，氮化镓具有更高的耐压，比如同样是750V，硅产品在超过其耐压范围时会直接损坏，而氮化镓超过工作电压并不会永久失效，而只是增加RDSon，随着电压回复到正常值，氮化镓还会恢复，这种特性也使其可靠性更高。对于PI的氮化镓来说，750V的产品在1400V才会出现永久失效，而对于1250V的产品，则至少可以到2100V。

如图所示，1250VPowiGaN具有更多的裕量以确保系统更加安全可靠。

效率是电源转换的关键

电源转换过程中，效率则是所有相关工程师都需要关注的，更高的效率意味着更少的散热，更小的尺寸，更轻的重量以及更高的可靠性等。同时，更高的效率也意味着可以更加节能，更加绿色，因此各国都在效率方面制定了越来越严格的规定。

Jason以家电为例，高效率提高除了可以提高家电的能效标准，增加产品竞争力之外，通过减少体积，甚至还可以优化很多安装，运输方式，这主要是因为巨大的散热系统会导致系统更加不可靠。

同时，待机轻载或空载模式中的功耗同样值得注意，这是因为越来越多的家电在智能化、网联化的要求下，功能越来越多，这无形当中增加了待机功耗，因此如今各国也正在提高轻载下的效率要求。

浅析功率变换过程中的损耗

Jason表示，功率变换过程中功率管的损耗来源主要是开关损耗与导通损耗，这两个损耗有时候是需要权衡的。

导通损耗比较容易理解，即功率管在导通过程中等效电阻RDSon所引起的损耗。而开关损耗主要由Coss来决定。开关损耗主要是因为功率管的寄生电容在电压变化过程中所带来的能量释放。对于高压应用而言，硅MOSFET会因为耐压的升高而导致RDSon增加，同时电压越高寄生电荷也就越多，开关过程中的功耗也就越高。一般意义上，若要降低RDSon，可以考虑增大晶圆尺寸，但这会带来Coss的增加，因此如何平衡RDSon和Coss变得非常重要。

氮化镓的Coss和RDSon都很低，因此效率远高于硅。

几张实测效率图看三者区别

PI进行了一套完整的产品测试，以充分验证硅、氮化镓以及碳化硅的转换效率。Jason强调PI有完整的三种功率产品，因此可以实现最客观的对比。

在看测试图之前，我们先科普两个事实。首先是高压情况下，效率会变低，这主要是由于在高压状态时，开关损耗会急剧增加。简单的理解就是试想电压越高导通时间越慢，电压和电流交叠部分越多。

另外，在低压状态下，电流越大，其导通损耗占比也越大，同时温升更高，因此常用的温升测试都是在低压状态进行。

PI提供了两个参考板，一块是低压输入，一块是高压输入，因为PI所有InnoSwitch-3产品引脚兼容，因此只需更换主芯片，这样可以客观评价出芯片的影响。

如图所示，绿色曲线为最新的60W 1250V GaN。

我们可以明显看到1250V的GaN相比其他在任何电压时都具有更高的效率，在低压时，提升了至少1%的效率，这也意味着可减少20%损耗，从而实现更好的温升表现。

同时我们也可以看到，在高压应用时，氮化镓与碳化硅的效率则较为接近。

实测的温升表现也证明，相比于硅，第三代半导体可以实现6-10度的降低。

到底应该选哪种器件？答案已经在图中了。

氮化镓代表着未来

在某些750伏DC的应用当中，氮化镓已经可以取代碳化硅了。PI CEO Balu Balakrishnan此前就在公开场合说过，PI实际上投入过数千万美元进行碳化硅的研究，但最终还是转向了氮化镓。

Jason解释道，氮化镓可以使用硅基工艺，同时晶圆尺寸更大，相比而言碳化硅在制备，切割等过程较为复杂，因此氮化镓极具成本优势，也代表了功率系统的未来。

如果再回头看硅，氮化镓在功率密度上遥遥领先于硅，因此越来越多要求高功率密度的场景开始接受氮化镓，目前PI已经有70多款产品采用了氮化镓的技术。实际上，此前氮化镓一般认为更适用于75W以上功率，但目前“在30W以上应用中，就足以体现出氮化镓的优势。”Jason说道。

“如果氮化镓可以应用于200kW以下的功率，那么将很容易取代碳化硅和IGBT。”

另外，PI通过集成不同种类的功率元件，实现了为客户的量身定制。“并不是所有的应用都需要采用氮化镓，要具体根据开关频率，电流等来确定，有些应用无法体现出氮化镓的优势。这不止体现在成本上，还体现在其性能表现上。”Jason说道。

比如在LC电路中，由于负载是电感属性，因此PI也专门为此类应用推出了FredFet快速反向恢复二极管。

PI PowiGaN的优势

作为业界市占率第一的氮化镓公司，PI的氮化镓具有着诸多优势。

第一个优势是高度整合，在单芯片中集成了包括开关、保护、反馈、同步整流以及磁隔离等全部组件，用户只需要设计外围电路即可，这降低了产品的开发门槛，减少了产品尺寸，同时也提高了可靠性。另外，这种高度整合相对于分立而言，也会大大降低供应链风险及管理成本，避免因部分器件缺货所带来的不确定性。

第二个优势则是PowiGaN的独特架构，采用了Cascode（共源共栅）架构，通过MOSFET与氮化镓并联的方式，实现了器件的常关。而一些厂商则通过建立栅极控制势垒，即所谓的E-Mode（增强型）来实现功率管常关。

Jason解释道，对于E-Mode而言由于其内部进行了掺杂，所以可靠性可能会降低，制程难度也较大，另外其驱动电压裕量较小，并且还需要负压防止出现误导通，因此控制电路实现起来较为复杂。

Cascode技术相比于E-Mode的优势

而Cascode模式下，通过硅MOSFET进行控制，无需考虑负压，且耐压度更高，因此整体电路会变得简单，氮化镓的工艺也相对简单，具有更加可靠且抗干扰能力等优势，RDSon也更低。“Cascode由于有两个功率管，所以会相应的增加成本、面积与功耗，但PI的MOSFET具有电流检测功能，无需额外的电流检测单元，所以总体损失还是可控。”Jason说道。

Jason另外强调道，尽管采用了代工模式，但PI拥有自己的工艺流程，包括氮化镓的相关工艺，所以成本和可靠性可以保证。

在氮化镓可靠性上，Jason还讲了个有意思的故事。PI在数年前推出PowiGaN时，并没有宣称采用了氮化镓技术，毕竟彼时还没有太多敢于吃螃蟹的客户。随着产品在业界取得了好评之后，再加上市场上其他对手开始出现氮化镓，这时PI才公开了其氮化镓技术，在一定程度上打消了客户的担忧。正如PI CEO所说：“我们今天研发的技术很多是客户五年后才会用到的。”

“PI产品最大的价值点不只是价格和性能，产品功能只是一个基本要求，能不能通过PI帮助客户建立品牌优势，这才是实力的体现。”Jason总结道。