引言
氮化鎵(GaN)和碳化硅(SiC)同屬第三代半導體,,相比硅基半導體(Si),,具有禁帶寬度更寬,、高耐壓,、熱導率,、電子飽和速度更高的特點,能夠滿足現(xiàn)代電子技術(shù)對半導體材料提出的高溫,、高功率,、高壓、高頻要求,。而相對于SiC在高耐壓和大工作電流方面具有的優(yōu)勢,,GaN更有望在100~600V中等耐壓范圍內(nèi),憑借出色的擊穿場強和電子飽和速度,,實現(xiàn)低導通電阻和高速開關(guān)(高頻率工作)性能,。如圖1所示。
圖1:功率器件的適用范圍
針對要求小型化,、低功耗的5G和PD快充適配器等產(chǎn)品,,僅憑目前主流半導體材料Si已無法滿足需求,這使得包括GaN HEMT在內(nèi)的新型功率半導體必不可少,。與Si相比,,GaN具有低導通電阻、高速開關(guān)等優(yōu)異特性,。在同樣需要節(jié)能和小型化的應(yīng)用中,,它也可以滿足一次電源(服務(wù)器、適配器,、普通電源)市場的需求,。隨著技術(shù)的不斷進步和應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展,,GaN的市場規(guī)模也在不斷擴大。據(jù)Yole Group預測,,從2022年到2028年,,GaN功率器件市場將以49%的復合年增長率快速增長,市值將從2022年的1.849億美元增長至20.4億美元,。如圖2所示,。
圖2:一次電源市場需求
羅姆認為,除了消費領(lǐng)域,,工業(yè)和數(shù)據(jù)中心應(yīng)用已成為GaN增長的催化劑,。在這些應(yīng)用中,巨大的功耗已成為一個亟待解決的問題,。在電源中使用高電源轉(zhuǎn)換效率的GaN可以顯著減少能源消耗,,同時滿足縮小應(yīng)用尺寸和厚度的行業(yè)發(fā)展要求,為節(jié)能環(huán)保做出貢獻,?;诙嗄攴e累的豐富半導體生產(chǎn)工藝技術(shù),羅姆開發(fā)了顛覆傳統(tǒng)的GaN品牌——EcoGaN?系列產(chǎn)品,,旨在進一步實現(xiàn)應(yīng)用產(chǎn)品的節(jié)能和小型化,。
什么是EcoGaN??
EcoGaN? 是羅姆開發(fā)的GaN器件關(guān)聯(lián)系列產(chǎn)品的品牌,,旨在通過更大程度地發(fā)揮GaN的性能,,實現(xiàn)GaN的穩(wěn)定控制。該品牌不僅包括GaN HEMT單品,,搭載GaN的,、內(nèi)置控制器的IC也包含其中。EcoGaN? 系列產(chǎn)品有助于進一步降低應(yīng)用產(chǎn)品的功耗,,實現(xiàn)外圍元器件的小型化,,減少設(shè)計工時和元器件數(shù)量等,助力應(yīng)用產(chǎn)品進一步節(jié)能和小型化,。圖3為羅姆EcoGaN? 標識,。
圖3:羅姆EcoGaN? 標識
GaN HEMT的穩(wěn)定可靠對于GaN器件的全面推廣至關(guān)重要,而基于GaN-on-Si襯底的高質(zhì)量制造技術(shù)是生長GaN外延層的關(guān)鍵,。早在2006年,,羅姆就開始研發(fā)氮化鎵產(chǎn)品。憑借其多年來為量產(chǎn)可靠的LED產(chǎn)品開發(fā)的基本外延和生長技術(shù),,羅姆將其應(yīng)用于GaN HEMT,,為需要長期可靠性的市場提供穩(wěn)定的供應(yīng)。
歷經(jīng)20年左右的持續(xù)研發(fā),,2021年,,羅姆確立了8V柵極-源極額定電壓技術(shù)的150V GaN器件技術(shù),;2022年,羅姆首次量產(chǎn)第一代EcoGaN? 系列150V耐壓的GaN HEMT,。憑借其獨特的結(jié)構(gòu),,羅姆成功地將柵極-源極額定電壓從普通GaN產(chǎn)品的6V提高到8V,提升了GaN器件電源電路的設(shè)計裕度和可靠性,。2023年4月,,羅姆又量產(chǎn)了650V耐壓GaN HEMT,至此同時提供了150V和650V GaN分立式器件,。
此外,,為了充分提高GaN HEMT的低損耗和高速開關(guān)性能,使器件應(yīng)用更加穩(wěn)定可靠,, 羅姆不僅注重提高GaN HEMT單體的性能,,還不斷改進驅(qū)動技術(shù)和控制技術(shù),讓GaN器件在各種應(yīng)用中進一步普及,。
·“EcoGaN?”是ROHM Co., Ltd.的商標或注冊商標,。
創(chuàng)新型電源解決方案解決GaN應(yīng)用課題
1. 柵極驅(qū)動器與GaN相結(jié)合
羅姆在推出支持高速開關(guān)的GaN器件的同時,還開發(fā)出可更大程度地激發(fā)出GaN器件性能的超高速驅(qū)動柵極驅(qū)動器IC“BD2311NVX-LB”,,實現(xiàn)了納秒(ns)量級的柵極驅(qū)動速度,,從而使GaN器件可實現(xiàn)高速開關(guān)。通過最小柵極輸入脈寬為1.25納秒的高速開關(guān),,助力應(yīng)用產(chǎn)品實現(xiàn)小型化,、進一步節(jié)能和更高性能,。此外,,ROHM官網(wǎng)上提供配備BD2311NVX-LB、150V GaN和高輸出功率激光二極管的LiDAR用參考設(shè)計,。通過參考設(shè)計,,有助于減少應(yīng)用產(chǎn)品的開發(fā)工時,如圖4,。詳情請見:https://www.rohm.com.cn/reference-designs/refld002
圖4: LiDAR用參考設(shè)計
2. DC-DC控制器與GaN器件相結(jié)合
GaN器件因其具有高速開關(guān)的特性優(yōu)勢而被廣泛采用,,然而,如何提高控制IC(負責GaN器件的驅(qū)動控制)的速度已成為亟需解決的課題,。
在這種背景下,,羅姆進一步改進了在電源IC領(lǐng)域確立的超高速脈沖控制技術(shù)“Nano Pulse Control?”,成功地將控制脈沖寬度從以往的9ns縮短到2ns的業(yè)界超高水平,,并通過與GaN HEMT組合實現(xiàn)了高速開關(guān),。采用該技術(shù)的DC-DC控制器IC(開發(fā)中)和EcoGaN? 電源電路比普通產(chǎn)品的安裝面積減少了86%,如圖5所示,。適用于基站,、數(shù)據(jù)中心,、FA設(shè)備和無人機等眾多領(lǐng)域,將為實現(xiàn)應(yīng)用的顯著節(jié)能和小型化做出貢獻,。
圖5:GaN器件與Si器件電源電路尺寸比較
3. 集柵極驅(qū)動器和GaN于一體的Power Stage IC
與Si MOSFET相比,,GaN HEMT的柵極處理很難,必須與驅(qū)動柵極用的驅(qū)動器結(jié)合使用(圖6),。
圖6: 使用GaN器件時面臨的問題
羅姆結(jié)合所擅長的功率和模擬兩種核心技術(shù)優(yōu)勢,,開發(fā)出集功率半導體——GaN HEMT和模擬半導體——柵極驅(qū)動器于一體的Power Stage IC“BM3G0xxMUV-LB”。該產(chǎn)品的問世使得被稱為“下一代功率半導體”的GaN器件輕輕松松即可實現(xiàn)安裝,。如圖7所示,。
圖7: EcoGaN? Power Stage IC簡介
新產(chǎn)品中集成了新一代功率器件650V GaN HEMT、能夠更大程度地激發(fā)出GaN HEMT性能的專用柵極驅(qū)動器,、新增功能以及外圍元器件,。另外,新產(chǎn)品支持更寬的驅(qū)動電壓范圍(2.5V~30V),,擁有支持一次側(cè)電源各種控制器IC的性能,,因此可以替換現(xiàn)有的Si MOSFET。與Si MOSFET相比,,器件體積可減少約99%,,功率損耗可降低約55%,因此可同時實現(xiàn)更低損耗和更小體積,。
EcoGaN?產(chǎn)品路線圖
今后,,隨著GaN器件的性能的進一步提高和陣容擴充,羅姆將持續(xù)推進用于驅(qū)動GaN HEMT的,、內(nèi)置控制器的器件和模塊的開發(fā),,進一步加強電源解決方案。其中包括,,具有低導通電阻和高速開關(guān)性能的產(chǎn)品——150V耐壓產(chǎn)品(第二/三代),;內(nèi)置驅(qū)動器和控制器的GaN模塊;650V耐壓的新封裝(TOLL封裝)產(chǎn)品等,,如圖8所示,。
關(guān)于前述Power Stage IC產(chǎn)品,羅姆計劃2024年量產(chǎn)搭載偽諧振AC-DC電路或功率因數(shù)改善電路,、以及搭載半橋電路等產(chǎn)品,。并且,截至2026年,,計劃陸續(xù)量產(chǎn)將GaN HEMT,、柵極驅(qū)動IC、控制IC集成在同一封裝的產(chǎn)品。羅姆將繼續(xù)為用戶提供各種形式的EcoGaN?解決方案,,方便用戶更加便捷地搭載GaN器件,。
圖8:EcoGaN?相關(guān)產(chǎn)品的產(chǎn)品路線圖
總結(jié)
羅姆將繼續(xù)擴充“EcoGaN?”系列產(chǎn)品陣容,助力應(yīng)用產(chǎn)品的節(jié)能和小型化發(fā)展,。并且,,為用戶提供更加便捷地發(fā)揮GaN性能、更大程度地激發(fā)其強大潛能的電源解決方案,,為實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展社會貢獻力量,。