“双碳”背景下，高转换效率的氮化镓应用

电子发烧友网报道（文/李诚）在“双碳”的发展趋势下，能源转换效率已成为各行各业关注的焦点。据国家统计局公开信息显示，2020年城乡居民总用电量10949亿kWh，单户家庭年平均用电量780kWh。以能源转换效率提升1%为例，全国一年可节省电量109.5亿kWh，节省下来的电量可供单户居民用电1400万年。换算成电动车行驶里程数，可供Model S充电1.68亿次，行驶里程672亿公里，由此可见提升转换效率的重要性。

氮化镓对“双碳”起到什么作用？

“双碳”提出的重点是解决能源问题，而能源的重点就是电力，氮化镓作为高转换效率宽禁带半导体材料的代表，应用于输配电、用电、储能等各个环节中意义重大。低开关损耗特性使得氮化镓功率器件更有利于节能减排，高频的特点也推动了系统向高功率密度的发展。氮化镓已成为了绿色经济发展的驱动力，在双碳的背景下，氮化镓逐渐与更多产业产生交汇点。

氮化镓有高光效、高功率、高频率、耐高温，在相同功率下氮化镓比硅基产品体积小等多个特点，在碳中和、碳达峰的推动下在照明、电机驱动、数据中心、汽车、风光电储等领域得到了充分应用。在构建高效的能源系统，控制化石能源总量方面起到了重要作用。

成本降低、工作电压提高，氮化镓上车持续加速

随着化石能源日益枯竭与绿色产业的兴起，新能源汽车已成为未来的主要发展趋势，但由于经过多年的发展，硅功率半导体的潜在性能已被开发至瓶颈，需要更高效的功率半导体材料来提升新能源汽车的性能。在高效、低能耗、高功率密度方面，氮化镓恰好能满足这一要求。

尽管氮化镓功率器件集合了多种高性能的特性，但在汽车的应用中依然会面临一些问题。根据氮化镓目前的技术水平和材料特性来看，氮化镓功率器件主要应用在800V以下的中低压领域，与汽车逆变器应用的高压需求存在着些许差距。

今年4月，比利时的IMEC研究实验室通过1200V GaN-on-QST外延技术，成功将氮化镓的工作电压提升至1200V。该技术主要是在200mm QST衬底上为横向晶体管加入了更厚的外延 氮化镓缓冲层，可用于1200V的汽车应用中，并且通过这一技术还将氮化镓功率器件的硬击穿电压提升至了1800V，打破了氮化镓只适用于中低压应用的思维桎梏，极大地提高了功率器件工作的稳定性。

据IMEC的高级业务开发经理Denis Marcon表示，这款功率器件最关键的一点是：可在200mm晶圆厂中采用COMS工艺进行大批量的生产，极具成本优势。

高压氮化镓得以验证，有望成为开关电源的首选

图源：GaNPower

今年10月，GaNPower正式向外界展示了首款1200V单芯片E型氮化镓功率器件，并将该功率器件中在7A/800V的双脉冲测试板上进行了功率开关的验证。该系列芯片提供了两种封装方式，以满足不同的应用需求，GPIHV30DFN采用的是8*8 DFN的内置引脚封装，GPIHV30DDP5L采用的是TO263-5封装。由于GPIHV30DFN采用的是DFN的封装方式，为保证功率器件在高压状态下开关的可靠性，GaNPower将S-D爬电距离设置为2.8mm，保留了充足的安全距离。同时，GPIHV30DDP5L封装采用了GaNPower独特的专利设计，为器件加入了凯文接线和小型输入电容，用以降低浪涌电压。

该系列芯片的额定击穿为1200V，GaNPower为保证芯片工作的稳定性，在芯片设计时提高了150V的电压裕量，避免在工作过程中出现瞬态尖峰击穿元件。同时，该系列芯片的导通电阻Rds为60Ω，并通过低导通电阻的方式降低系统损耗，提高系统的转换效率。

在汽车应用中，汽车的直流母线电压通常在700~800V之间，功率器件的额定电压需要达到1200V，该系列芯片恰好满足这一要求。据GaNPower官方表示，该系列氮化镓功率器件的开关速度比碳化硅功率器件快10倍，非常适用于构建电动汽车车载充电器和电机驱动的功率转换器，从而提高电动汽车续航里程，减少碳排放。

伴随着氮化镓市场的逐渐扩大，有更多的厂商带着价格更低的硅基氮化镓进入市场，加上工艺的升级，氮化镓工作额定电压得以提高，氮化镓有望成为工作电压为20V至1200V应用的首选。

97.5%效率的48V DC/DC转换器

10月，GaN Systems和EPowerlabs通过合作，共同推出了基于氮化镓48V移动应用的DC/DC转换器DDC48-1K。

图源：GaN Systems

DDC48-1K是一款可在消费、工业和汽车领域应用的48V DC/DC电源转换器，采用了GaN Systems 100V的氮化镓功率晶体管GS61008P，GS61008P采用了获得专利的Island Technology和GaNPX封装，其中Island Technology技术能够提高芯片的电流流通量，GaNPX技术能够将芯片小型化的同时，降低系统的寄生参数，将开关损耗降低了50%，提升系统的转换效率，从而实现电能利用率的最大化。

据官网数据显示，DDC48-1K的直流输入电压区间为24V~60V，额定输出功率可高达1000W。在一般工作状态下系统转换效率能保持在95%以上，在满载运行时，系统效率可提升至97.5%，高出同类转换器效率的4%。同时这款电源转换器通过氮化镓高效、小尺寸的特性，经体积压缩至传统转换器的1/3，设备功率密度提升至28W/in3，解决了在移动应用中，空间小的物理极限。在重量方面，由于采用了无外壳的设计，再加上基于氮化镓高效的特性，使得元器件用量大幅降低，产品重量仅为345g，相同功率的冷风DC/DC电源转换器重约750g，两者相比DDC48-1K更轻。

高效、高功率密度和质量更轻的氮化镓电源转换器，非常适用于优化电动汽车、工业电动运输设备和机器人等应用的电力系统，从而提升能源利用率，实现节能减排的目的。

结语

在“双碳”的背景下，新能源汽车、光伏逆变器、充电桩等绿色能源产业规模不断扩大，市场对高效的功率器件需求大幅提升。随着氮化镓工作电压的提升，应用领域也得以拓展，加上低成本的硅基氮化镓进入市场，氮化镓替代成本较高的碳化硅已成为可能，市场上升空间巨大。