电子发烧友网报道(文/梁浩斌)GaN器件已经在消费电子领域站稳脚跟,而在消费电子之外,电源产品还有很多较大的应用市场,包括光伏逆变器、服务器电源、汽车领域等。而新能源汽车作为目前规模增长最快的市场之一,SiC已经成功导入电动汽车产品,并实现大批量落地。
与SiC同为第三代半导体的GaN,在材料特性,器件的特性上都有很多相同之处,甚至在成本以及高频应用中,GaN功率器件相比SiC还有一定优势,所以各大功率GaN厂商都在积极布局汽车应用。
不过目前功率SiC主要被用于800V高压平台的车型中,包括牵引逆变器、空调压缩机等要用到耐压值1200V的器件。但此前GaN在消费电子领域大多产品在650V或以下,如果想要在汽车领域得到更广泛的应用,就需要更高耐压值的GaN器件。
GaN HEMT器件突破1700V,拓展高压应用
在目前电动汽车高压系统的趋势下,一般母线电压为800V的系统中,需要用到1200V耐压的功率器件。而随着电池包技术发展,以及快充、低能耗的需求,一些车型的电池包电压已经高达900V,出现1000V电压级别的车型也只是时间问题。
而1000V电压的电路中,可能会产生1300V或以上的瞬时电压,所以这个时候就需要1700V耐压的器件。而目前市面上SiC功率器件已经有很多耐压1700V的产品,还有一些超高压产品耐压达到3300V以上。
最近,国内GaN领域也出现了一款1700V GaN HEMTs器件。致能科技团队与西安电子科技大学广州研究院/广州第三代半导体创新中心郝跃院士、张进成教授团队等合作攻关,采用致能科技的薄缓冲层AlGaN/GaN外延片,基于广州第三代半导体创新中心中试平台,成功在6英寸蓝宝石衬底上实现了1700V GaN HEMTs器件。相关研究成果于2024年1月发表于IEEE Electron Device Letters期刊。
而从目前市面上主流的650V GaN器件发展到1700V ,能够令GaN拓展到更多领域,除了电动汽车之外,在工业、光伏、储能等领域都会有更大的应用空间。
目前多家厂商已经推出900V及以上功率GaN
近几年,为了满足更多市场的需求,拓展应用领域,功率GaN产品的规格也越来越丰富,众多厂商在高压应用上推出量产产品。
刚刚被瑞萨收购的GaN厂商Transphorm,在2017年推出了第一款900V GaN产品,并且在2022年的国际功率半导体器件和集成电路研讨会(ISPSD)上展示了1200V GaN器件。Transphorm当时表示,市场上可买到的高功率GaN晶体管的电压范围通常为600V至650V,只有Transphorm能够提供900V GaN器件。
而在2023年,Transphorm公布了其1200V功率GaN器件的仿真模型和初步数据,这款产品基于蓝宝石基氮化镓外延片制造,拥有70mΩ的导通电阻、±20 Vmax栅极稳健性、低 4V栅极驱动噪声抗扰度、零QRR和3引脚TO-247封装。
PI(Power Integrations)去年也推出了900V PowiGaN器件,并在不久之后又推出了1250V的PowiGaN器件。据测试,1250V的PowiGaN开关方案,其效率要比650V的硅开关方案高出1%,其损耗也比传统的硅开关方案减少近一半左右。同时还具有同步整流和FluxLink安全隔离反馈功能,可以稳定输出电压和电流,能够用于1000V峰值工作电压的应用中。
国内镓未来也已经推出了900V的GaN器件,并已经实现量产,支持TO-252-3L、TO-252、TO-220三种封装,有RDS(ON)990mΩ/450mΩ/270mΩ等规格。
镓宏半导体官网显示目前已推出了GSR900D035系列 900V、50mΩGaN FET,能够用于工业、光伏逆变器、伺服电机等应用。
华润微旗下专注三代半的厂商润新微(前为芯冠科技)早在2022年就推出了900V的硅基氮化镓系列产品,目前公司官网显示提供TO-220封装,RDS(ON)540mΩ/270mΩ/220mΩ/150mΩ规格的900V GaN功率器件。
去年国内900V GaN产业链也有不少新的厂商取得突破,比如聚能晶源研制出了高栅压GaN增强型外延技术和900V高耐压GaN-on-Si外延技术;长平时代发布用于车载电子的6英寸900V硅基GaN外延片;湖南三安完成了900V 硅基氮化镓功率器件的开发,并已导入到客户产品设计和系统验证。
小结:
随着更多高压GaN器件的出现,也将会大大拓展GaN的应用领域。未来GaN功率器件将会出现在更多比如工业、光伏、储能、电动汽车主驱等应用场景中。
与SiC同为第三代半导体的GaN,在材料特性,器件的特性上都有很多相同之处,甚至在成本以及高频应用中,GaN功率器件相比SiC还有一定优势,所以各大功率GaN厂商都在积极布局汽车应用。
不过目前功率SiC主要被用于800V高压平台的车型中,包括牵引逆变器、空调压缩机等要用到耐压值1200V的器件。但此前GaN在消费电子领域大多产品在650V或以下,如果想要在汽车领域得到更广泛的应用,就需要更高耐压值的GaN器件。
GaN HEMT器件突破1700V,拓展高压应用
在目前电动汽车高压系统的趋势下,一般母线电压为800V的系统中,需要用到1200V耐压的功率器件。而随着电池包技术发展,以及快充、低能耗的需求,一些车型的电池包电压已经高达900V,出现1000V电压级别的车型也只是时间问题。
而1000V电压的电路中,可能会产生1300V或以上的瞬时电压,所以这个时候就需要1700V耐压的器件。而目前市面上SiC功率器件已经有很多耐压1700V的产品,还有一些超高压产品耐压达到3300V以上。
最近,国内GaN领域也出现了一款1700V GaN HEMTs器件。致能科技团队与西安电子科技大学广州研究院/广州第三代半导体创新中心郝跃院士、张进成教授团队等合作攻关,采用致能科技的薄缓冲层AlGaN/GaN外延片,基于广州第三代半导体创新中心中试平台,成功在6英寸蓝宝石衬底上实现了1700V GaN HEMTs器件。相关研究成果于2024年1月发表于IEEE Electron Device Letters期刊。
来源:IEEE Electron Device Letters
广东致能团队通过MOCVD方法在6英寸蓝宝石衬底上外延出包括1.5μm薄层缓冲层和AlGaN/GaN异质结结构,这种技术可以显著减低外延和加工的难度。使用其外延片制备的GaN HEMTs器件具有超过3000 V的高阻断电压和17Ω·mm的低导通电阻,并通过1700 V的长期HTRB应力初步验证了其鲁棒性。而从目前市面上主流的650V GaN器件发展到1700V ,能够令GaN拓展到更多领域,除了电动汽车之外,在工业、光伏、储能等领域都会有更大的应用空间。
目前多家厂商已经推出900V及以上功率GaN
近几年,为了满足更多市场的需求,拓展应用领域,功率GaN产品的规格也越来越丰富,众多厂商在高压应用上推出量产产品。
刚刚被瑞萨收购的GaN厂商Transphorm,在2017年推出了第一款900V GaN产品,并且在2022年的国际功率半导体器件和集成电路研讨会(ISPSD)上展示了1200V GaN器件。Transphorm当时表示,市场上可买到的高功率GaN晶体管的电压范围通常为600V至650V,只有Transphorm能够提供900V GaN器件。
而在2023年,Transphorm公布了其1200V功率GaN器件的仿真模型和初步数据,这款产品基于蓝宝石基氮化镓外延片制造,拥有70mΩ的导通电阻、±20 Vmax栅极稳健性、低 4V栅极驱动噪声抗扰度、零QRR和3引脚TO-247封装。
PI(Power Integrations)去年也推出了900V PowiGaN器件,并在不久之后又推出了1250V的PowiGaN器件。据测试,1250V的PowiGaN开关方案,其效率要比650V的硅开关方案高出1%,其损耗也比传统的硅开关方案减少近一半左右。同时还具有同步整流和FluxLink安全隔离反馈功能,可以稳定输出电压和电流,能够用于1000V峰值工作电压的应用中。
国内镓未来也已经推出了900V的GaN器件,并已经实现量产,支持TO-252-3L、TO-252、TO-220三种封装,有RDS(ON)990mΩ/450mΩ/270mΩ等规格。
镓宏半导体官网显示目前已推出了GSR900D035系列 900V、50mΩGaN FET,能够用于工业、光伏逆变器、伺服电机等应用。
华润微旗下专注三代半的厂商润新微(前为芯冠科技)早在2022年就推出了900V的硅基氮化镓系列产品,目前公司官网显示提供TO-220封装,RDS(ON)540mΩ/270mΩ/220mΩ/150mΩ规格的900V GaN功率器件。
去年国内900V GaN产业链也有不少新的厂商取得突破,比如聚能晶源研制出了高栅压GaN增强型外延技术和900V高耐压GaN-on-Si外延技术;长平时代发布用于车载电子的6英寸900V硅基GaN外延片;湖南三安完成了900V 硅基氮化镓功率器件的开发,并已导入到客户产品设计和系统验证。
小结:
随着更多高压GaN器件的出现,也将会大大拓展GaN的应用领域。未来GaN功率器件将会出现在更多比如工业、光伏、储能、电动汽车主驱等应用场景中。
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