利用寬禁帶半導體提高電源效率

2020-11-28 電子工程專輯

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效率是推動工業市場（包括消費市場）發展的動力。效率低下會影響電子系統的性能並縮短其使用壽命。為了提高效率，業界朝著更高的功率密度發展，產品可能變得更小、更輕、更可靠，消除了性能的限制，提高了數據中心和汽車系統的功率水平。BGEEETC-電子工程專輯

此外，隨著聯網設備的數量與日俱增，更高效的功率轉換可以降低為數十億臺產品供電的總體帳務成本。而且，由於設備數量龐大，提高整體效率也變得同樣重要，因為能減少對環境的影響。BGEEETC-電子工程專輯

損耗是功率轉換所特有的，減小損耗反過來又會降低效率，並增加系統散熱負擔。發熱對半導體器件尤其有害，從電子設備中散去多餘的熱量會增加成本，並對環境造成危害。這驅使業界不斷研發更高效的半導體器件，以提高功率轉換效率，改善功率密度，降低電源管理的總體成本並減小對環境的影響。BGEEETC-電子工程專輯

傳統的功率半導體一直採用矽襯底。然而，雖然矽是一種出色的通用半導體，但在高壓時卻受到很大限制。隨著市場不斷追求更大功率的器件，整個行業逐漸從矽轉向更適合功率應用的寬禁帶（WBG）半導體材料。相比晶體矽，WBG半導體能夠在更高的開關頻率下工作，同時將損耗保持在可控水平。BGEEETC-電子工程專輯

電晶體是微電子業的基礎，構建電晶體的襯底決定了其行為表徵，也因此決定了其特性和功能。電晶體本質上是一個壓控開關，所需的功率越大，尺寸就越大。使用WBG材料可以解決這一問題。由碳化矽（SiC）或氮化鎵（GaN）等WBG材料製成的電晶體，目前在汽車業和替代能源系統的電源系統中大受歡迎。BGEEETC-電子工程專輯

不過，目前WBG晶圓的供應鏈仍在優化中，它還不像矽晶圓那樣擁有龐大的基礎設施和成熟的供應鏈。批量生產需要穩健及經過檢驗的製造工藝，這帶來了挑戰，包括WBG晶圓測試的挑戰，因為需要對工作於更高電流和電壓下且體積更小的設備進行測試。BGEEETC-電子工程專輯

要在這樣的挑戰下提高效率，業界需要的襯底必須既能繼續利用矽的規模經濟效益，又能利用WBG半導體的優良性能。BGEEETC-電子工程專輯

目前最新且前景最好的半導體材料是氮化鎵（GaN），可在各種襯底材料上製成高電子遷移率電晶體（HEMT）外延電晶體，適合RF、微波和毫米波（mmWave）應用中的高性能器件。GaN技術有兩種形式：矽基GaN和SiC基GaN。SiC基GaN主要適合太空和軍事雷達應用，RF工程師還在繼續探索SiC基GaN的其他應用領域和解決方案。矽基GaN則促進了低成本大直徑襯底的增長，讓高產量的矽晶圓廠可生產這些器件。BGEEETC-電子工程專輯

矽基GaN功率電晶體比傳統的矽功率電晶體效率更高，部分原因是轉換器拓撲和技術的需要。峰值電流與反向恢復電荷有關，矽功率電晶體中的反向恢復電荷可能很大，因此不能用於具有重複反向恢復特性的轉換拓撲，包括半橋拓撲。而GaN具有零反向恢復電荷，可用於以前沒考慮過的電源拓撲。現在，正是新啟用的拓撲與新的GaN技術結合起來，才使設計人員實現了更高的電源性能。BGEEETC-電子工程專輯

矽基GaN襯底提供了高集成度，可在單個襯底上集成低噪聲放大器（LNA）、開關和功率放大器（PA），降低了成本，從而引發業界對矽基GaN的極大興趣。BGEEETC-電子工程專輯

高集成度雖然具有優勢，但首先還是需要使應用中高度互連的大功率終端具有連接性。圖1顯示了SiC基GaN在不同領域的應用。BGEEETC-電子工程專輯

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圖1：GaN市場演變。（圖片來源：Yole Développement）BGEEETC-電子工程專輯

參數

儘管未來多年內矽半導體仍將是主流解決方案，但在某些應用中，客戶卻可以利用WBG半導體的優良特性，包括改善的禁帶寬度（eV）、擊穿場強（MV/cm）、熱導率（W/cm-K）、電子遷移率（cm2/V-s）和電子漂移速度。無需從細節上進一步探討半導體的物理特性，更優的參數性能便足以說明WBG半導體適合高壓、高開關頻率應用，同時還可以提高功率密度和散熱能力。BGEEETC-電子工程專輯

WBG半導體功率開關的主要優點包括更高的電流密度、更快的開關速度和更低的漏源導通電阻（RDS(on)），對最終客戶來說，使整個系統性能得到了極大的改善。在實際應用中，客戶的設備可以在高溫下工作，系統的整體尺寸減小了，重量也降低了。BGEEETC-電子工程專輯

消費市場趨勢

說到GaN的實際應用，無線充電無疑是最熱門的一個領域。在手機無線充電不斷普及的同時，工業客戶也開始利用GaN技術的優勢。GaN在高頻下明顯表現出優於矽的特性。矽通常適合較低功率的應用，但隨著應用需求增加到數十瓦甚至千瓦級別，效率變得越來越重要。更高的開關頻率不僅可提高效率，還具有其他優勢，使客戶受益。BGEEETC-電子工程專輯

消費市場期待手機提供新功能，同時也要求手機具有更高的性能。高速數據傳輸、更大和更高質量的屏幕、面部檢測功能以及下一個5G規格，都需要新的電源管理解決方案。新的功能需要性能更高或容量更大的電池，容量更大的電池則意味著充電時間更長。新的電源解決方案減小了可攜式設備的外形尺寸，市面上還出現了可以快速為手機充電的新的充電解決方案。BGEEETC-電子工程專輯

目前的電池需要至少兩個小時才能充滿電，用戶希望能夠縮短手機充電時間，這推動電源解決方案從15W向100W提升。GaN在其中發揮了重要作用，它能夠實現更高的功率，相較其他解決方案，給設備充電用時更短。BGEEETC-電子工程專輯

「中國OEM廠商OPPO公司2019年推出了業內首個採用氮化鎵器件的快速充電器，」Yole Développement公司的技術和市場分析師Ezgi Dogmus說，「從那時起，這個市場的吸引力越來越大。在中國較有影響力的另一家OEM廠商小米最近也推出了基於GaN的快速充電器。」BGEEETC-電子工程專輯

「至於其它OEM大廠，三星已將GaN器件集成到其快速充電器中，據了解可能很快就會將GaN集成到其內置充電器中。」Dogmus補充道，「坊間有傳言說，蘋果和華為的下一代快速充電器也將採用氮化鎵。過幾個季度等官方消息發布之後，我們就會知道傳言是否屬實，但確定無疑的是，氮化鎵具有巨大的吸引力。」BGEEETC-電子工程專輯

矽的應用仍然很廣泛，特別是在30W以下的應用中。矽解決方案也仍然可以滿足30至100W應用領域的需求，但氮化鎵可提供更高的效率、更快速的充電，同時還具有熱管理和設計優勢，競爭力日益增強。BGEEETC-電子工程專輯

「OEM都想要體積小的快充，因為給手機配一個大充電器影響美感。」Dogmus說，「利用氮化鎵就可以做到這一點。」BGEEETC-電子工程專輯

Yole預期不只是中國的OEM廠商，三星和蘋果也會大量採用氮化鎵。Dogmus說：「據我們所知，氮化鎵製造商Power Integrations已宣布將為三星即將推出的充電器提供IC解決方案。」智慧型手機市場比其他任何消費市場都大得多，由於氮化鎵非常適用於智慧型手機充電器，隨著價格的下降，其銷量將穩步增長。BGEEETC-電子工程專輯

Dogmus說：「所有OEM廠商都在試探市場對GaN產品的接受程度，同時進一步降低GaN產品的成本。因此，2020年和2021年將是GaN基功率器件的關鍵年。」BGEEETC-電子工程專輯

寄生電感會限制矽器件和更早的分立GaN電路的開關速度，集成是最大程度地減少延遲並消除寄生電感的關鍵。當傳播延遲低至5ns、穩健的dv/dt高達200V/ns時，傳統的65~100kHz轉換器設計可以加速至兆赫茲甚至更高。這些集成電路可以將反激式、半橋式、諧振式及其他傳統拓撲的性能擴展至兆赫茲，從而實現革命性項目的商業化應用（圖2至圖5）。BGEEETC-電子工程專輯

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圖2：GaN快速充電發展趨勢。（圖片來源：Yole Développement）BGEEETC-電子工程專輯

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圖3：Yole在2019年即預見到GaN大功率快充將快速發展。（圖片來源：Yole Développement）BGEEETC-電子工程專輯

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圖4：功率與頻率的關係。（圖片來源：Yole Développement）BGEEETC-電子工程專輯

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圖5：功率GaN市場。（圖片：Yole Développement）BGEEETC-電子工程專輯

汽車

最有趣及增長最快的一個應用是電動汽車（EV）非車載充電，其中包括快速充電器和充電站。SiC為這一應用增值不少。BGEEETC-電子工程專輯

在電動汽車和混合動力汽車（HEV）這兩種應用中，SiC和GaN體現出了最好的經濟效益，因為SiC和GaN器件可以在更高的電壓和溫度下工作，更耐用，壽命更長，開關速度也比傳統半導體器件快得多。SiC已被多種應用所採納，特別是在電動汽車中，可以應對高效率及大功率器件所面臨的能源和成本挑戰。BGEEETC-電子工程專輯

SiC在特斯拉逆變器中發揮了重要作用，在所有的電動汽車高壓解決方案中也都一樣。Yole指出，在車載充電器應用市場，SiC和GaN解決方案互相競爭，哪種方案更好取決於各OEM廠商的成本/性能策略。BGEEETC-電子工程專輯

「幾乎所有OEM廠商都在關注碳化矽和氮化鎵，沒人會不在乎這兩種技術，」Dogmus說，「這關係到成本與合格認證。也許從這個角度來說，碳化矽要稍微成熟一些，因為它已經通過了汽車行業認證，並且已經開始用在特斯拉和比亞迪等一些型號的主逆變器和車載充電器中。」BGEEETC-電子工程專輯

同時，諸如Efficient Power Conversion（EPC）公司和Transform公司等GaN供應商也為汽車行業提供了合格產品，包括適於EV/HEV應用的低壓和高壓技術。另外，Nexperia等其他公司也通過一些新的解決方案投身該市場。BGEEETC-電子工程專輯

Dogmus說：「未來一年我們會看到越來越多的氮化鎵產品通過合格認證，並在成本和性能方面與碳化矽一較高下。」BGEEETC-電子工程專輯

（原文刊登於EETimes歐洲版，參考連結：Markets Turn to Wide-Bandgap Semiconductors to Increase Power Efficiency ，由Jenny Liao編譯。）BGEEETC-電子工程專輯

本文為電子工程專輯姊妹網《電子技術設計》2020年11月刊雜誌文章，版權所有，禁止轉載。免費雜誌訂閱申請點擊這裡。BGEEETC-電子工程專輯

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    ，而在第三代半導體概念中的寬禁帶半導體，其中「寬禁帶」指的就是禁帶寬度比較寬。寬禁帶的優勢第三代半導體主要是指寬禁帶半導體，那麼這個「寬禁帶」到底怎樣帶來性能優勢呢？大家都知道電子的定向移動形成電流，繼續之前的舉例，電子這位「運動員」只需要跨過欄架或者高牆就完成工作了。但是電子跨過護欄和高牆都需要一些力氣，這種時候如果有人能扶他一下就會很省力了。
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