电子发烧友App
GaN 提高了功率转换级的效率，使其成为制造高效电压转换器中硅的可行替代品。与硅相比，GaN 具有许多优势，包括更高的能效、更小的尺寸、更轻的重量和更便宜的总成本。
在剑桥 GaN 器件业务开发副总裁 Andrea Bricconi 的播客中，我们将分析这个宽带隙生态系统的最新技术，这些技术将推动下一步的改进。
开始
欢迎来到由 Maurizio Di Paolo Emilio 主持的播客节目 Powerup，它为 PowerElectronicsNews.com 和其他 AspenCore Media 出版物上的电力电子技术和产品的一些故事带来了活力。
在这个节目中，您将听到工程师和高管讨论电力电子和汽车、工业和消费等市场的新闻、挑战和机遇。这是您的主持人，Power Electronics News 和 EEWeb.com 的主编 Maurizio Di Paolo Emilio。
-28:51
毛里齐奥·迪保罗·埃米利奥
大家好，欢迎收看这一集的新节目。今天的主题是氮化镓或氮化镓，以及氮化镓晶体管。氮化镓是一种宽带隙半导体，在几种电力电子应用中不断发展。这是由于这种材料的特殊性能，在功率密度、耐高温性和在高开关频率下的操作方面优于硅。氮化镓大大提高了功率转换级的效率，在生产高效率电压变换器时是硅的有价值的替代品。与硅相比，氮化镓具有更高的能效、更小的尺寸、更低的重量和更低的总体成本。
氮化镓半导体技术和应用将成为今年3月20日至24日在德克萨斯州休斯顿举行的应用电力电子会议（APEC）的一个重要亮点。不仅是氮化镓，还有碳化硅。在上一集中，我们与Peter Gammon讨论了碳化硅技术。我将出席亚太经合组织会议，期待在那里与大家见面。
在剑桥 GaN 器件业务发展副总裁 Andrea Bricconi 的播客中，我们将分析这个宽带隙生态系统的最新技术，这些技术将推动下一步的改进。该公司正在利用其特性 ICeGaN 技术开发一系列基于 GaN 的节能功率器件，以部署在消费、开关电源、照明、数据中心和汽车等关键市场领域。让我们和安德里亚谈谈。
-26:57
毛里齐奥·迪保罗·埃米利奥
嗨，安德里亚！非常感谢您的光临。你好吗？
-26:53
安德里亚·布里科尼
谢谢你，毛里齐奥。很高兴和你交谈。我终于在阳光明媚的慕尼黑过得很好。
–26:49
毛里齐奥·迪保罗·埃米利奥
好的。所以，今天，Power Up 新一期的主题是 GaN、氮化镓和 GaN 技术。但在开始之前，在详细介绍之前，请告诉我们更多关于您的信息。你的工作是什么？请介绍你自己，你的背景。
–26:27
安德里亚·布里科尼
谢谢你，毛里齐奥。我的名字是安德里亚布里科尼。在过去的 25 年里，我一直在半导体行业工作，在一些顶级半导体制造商工作。在过去的 10 多年里，我专注于氮化镓技术、应用和营销。两年多前，为了简单起见，我加入了 Cambridge GaN Devices 或 CGD，在这里我领导营销和业务发展。
-25:57
毛里齐奥·迪保罗·埃米利奥
让我们从第一个问题开始。那么，为什么是氮化镓？作为一种材料，GaN 似乎在许多应用和许多市场上都比硅具有显着的内在优势，对于许多市场，GaN 的哪些应用……已经具有显着的市场渗透率，哪些应用正在出现 GaN、氮化镓？
–25:33
安德里亚·布里科尼
这么多的问题！为什么选择氮化镓？好吧，我可以问为什么不呢？我的意思是，这是当今最令人兴奋的材料。这一切都有助于电子设备朝着高效率迈出一大步，经过多年的承诺和挫折，它终于可用并成熟了。我会说，在氮化镓领域工作是一种真正的乐趣，你会觉得自己置身于某种特别的事情之中，这种事情几十年才发生一次。市场正在蓬勃发展，从低功率 AC DC 应用开始，例如移动充电器、适配器以及所有用于消费应用的开关模式电源。
同时，我们看到，经过多年的初步活动，现在服务器电源也有了很好的牵引力，受到提供最高效率和遵守越来越严格的法规的需求的驱动。此外，在低压领域，比方说低于 300 伏，氮化镓有助于降低许多应用中的 DC DC 转换器的外形尺寸，例如机器人、无人机、电信，准确地说，电信是指砖转换器。因此，在真正需要更小尺寸和重量的地方，氮化镓正在进入市场并逐渐取代传统的硅解决方案。当然，谈到新兴应用，GaN 在硅无法应对的领域也有很大的吸引力。同样，如果您考虑无线充电，则停留在低压域，这是一个很好的例子。尤其是 E 类，工作频率是 6.78 MHz 的两倍。对于那些必须在几纳秒内切换大量电流的应用，例如用于自动驾驶的激光雷达，GaN 的效率优势是显而易见的，根本没有 GaN 的有效替代品。
所以，我想说，总的来说，由于特定的市场趋势，如便携性，或受国际法规的推动，所有以减小尺寸和重量为目标的应用，GaN 确实变得突出。在便携性方面，如果您考虑最终用户，我的意思是像您或我这样的人，我们希望携带尽可能轻但功能强大的移动充电器，以便能够同时为许多设备充电。当然，还可以实现快速充电。当然，你可以，你可以从一个带有硅的充电器中挤出更多的电量，但它会很笨重，如果您想实现非常高的功率密度和非常高的功率能力，以及非常小的外形尺寸，GaN 是您的最佳选择。另一方面，关于数据中心，因为我们谈论的是国际法规，以及总体上最佳能源利用，我的意思是，数据中心的电力消耗目标是到本世纪末翻一番，达到 800-太瓦功率。我们需要充分利用这些能源，而 GaN 肯定会通过将效率提高到最高水平来减少能源的浪费。
到本世纪末，数据中心的用电量目标是翻一番，达到 800 太瓦。我们需要充分利用这些能源，而 GaN 肯定会通过将效率提高到最高水平来减少能源的浪费。到本世纪末，数据中心的用电量目标是翻一番，达到 800 太瓦。我们需要充分利用这些能源，而 GaN 肯定会通过将效率提高到最高水平来减少能源的浪费。
–21:47
毛里齐奥·迪保罗·埃米利奥
因此，目前有几个 GaN 器件概念。那么，您能告诉我从设计的角度来看，哪些是主要的，哪些是您的发展方向？如你所知，我在一篇文章中强调了，GaN的十点，关于GaN的十件事，有没有你更关注的点？
–21:20
安德里亚·布里科尼
哦，是的，我记得那篇文章。这就像“关于 GaN 的 10 件事。我记得，有一个具体的问题我想谈一谈。但首先，让我回答你问题的第一部分：可用的概念以及我们对此做了什么。所以，我想说有很多概念，远不止两个，但不知何故，我们可以谈论极端，所谓的 Cascode GaN 和所谓的增强模式 GaN。由于我的第一家公司，级联 GaN 实际上是第一个诞生的。当功率 GaN 研究的先驱 International Rectifier 首次开始开发基于级联的 GaN 解决方案时，我就在那里。而且，顺便说一句，今天几乎每个 GaN 制造商都有其主要经理，20 年前与我分享了这种经验。我们可以说，IR 遗产仍然存在于世界各地的许多公司中。现在，通过谈论级联本身，它是至少两个芯片的双芯片解决方案，其中通常有GaN与低压MOSFET耦合，整个器件通过驱动MOSFET栅极工作。
众所周知，这个概念带来了易用性。因此，驱动一个低压 MOSFET 是极其容易的，因此级联共栅被普遍认为是一个易于使用的概念。当然，它也有一些缺点。例如，缺乏可扩展性。一件事是制作 600 伏或 650 伏的级联解决方案。但是如果你想做一个 100 伏的器件，采用这种概念，低压 MOSFET 引入的妥协太大，你真的失去了 GaN 的优势。在光谱的另一边，我们可以谈谈增强模式或 E-Mode GaN：这是一个绝妙的解决方案，它非常优雅，单芯片正常关闭。但是，当然，许多用户希望通过更换硅 MOSFET 而不做任何改变来简单地获得 GaN 的性能优势。
不幸的是，与硅 MOSFET 相比，增强型 GaN 非常特殊。它具有极低的阈值电压，根据栅极概念大约只有 1 伏，但它基本上介于 1 到 2 伏之间，并且栅极看不到高于 6 或 6.5 伏的电压。因此，用户要么使用 GaN 专用栅极驱动器，要么添加一个驱动电路来钳位栅极电压以防止损坏栅极，或两者兼而有之。这就是这个概念的问题所在。在这里，我来到你问题的第二部分，你的文章。在您的文章中有一个观点，您提到大多数 E-Mode GaN 解决方案现在需要为栅极提供负电压以实现有效关断。确实如此，因为阈值电压非常低，以至于您希望避免 PCB 感应返回的任何风险。因此，市场上没有多少栅极驱动器具有这种负电压能力。所以，你会看到这些概念有很好的地方，但也有一些缺点。基本上，CGD 采用的技术将级联共栅的易用性与 E-Mode GaN 的简单性相结合，从而避免了所有缺点，包括对负驱动电压的需求，简而言之。确实如此，因为阈值电压非常低，以至于您希望避免 PCB 感应返回的任何风险。因此，市场上没有多少栅极驱动器具有这种负电压能力。所以，你会看到这些概念有很好的地方，但也有一些缺点。
基本上，CGD 采用的技术将级联共栅的易用性与 E-Mode GaN 的简单性相结合，从而避免了所有缺点，包括对负驱动电压的需求，简而言之。确实如此，因为阈值电压非常低，以至于您希望避免 PCB 感应返回的任何风险。因此，市场上没有多少栅极驱动器具有这种负电压能力。所以，你会看到这些概念有很好的地方，但也有一些缺点。基本上，CGD 采用的技术将级联共栅的易用性与 E-Mode GaN 的简单性相结合，从而避免了所有缺点，包括对负驱动电压的需求，简而言之。
-17:41
毛里齐奥·迪保罗·埃米利奥
因此，您的目标是将逻辑集成到 E-Mode GaN HEMT 中。因此，它可以以最少的工作量与驱动程序和控制器连接，并且还可以节省成本，因此不需要额外的组件。因此，您的解决方案可以像 MOSFET 一样被驱动。您能告诉我集成逻辑而不是 GaN 驱动器的原因是什么吗？
-17:09
安德里亚·布里科尼
嗯，是。CGD 的 650 伏 GaN 技术称为 ICeGaN。是组合词。IC 和 eGaN，一个词的意思是 E-mode GaN，因为实际上它是一个片上系统，我们将逻辑集成到 E-mode 功率晶体管中。顺便说一句，您也可以像 ICE GaN 一样阅读它，因为它运行起来非常酷。它不包含完整的栅极驱动器，而仅包含可轻松与栅极驱动器连接的特定和关键功能。多年前，当 CGD 由剑桥大学的 Giorgio Longobardi 和 Florin Udrea 创立时，在与许多涉及 GaN 的公司进行了多年的咨询后，特别是在 GaN 可靠性和与栅极相关的稳健性等主题上，他们都喃喃自语了很多去的方向。最后，我们想要开发的是一个完全可扩展到高功率和低电压的概念。我们已经决定最好的办法是避免集成全栅极驱动器，而是集成特定的 IC 来提供关键功能，以使 GaN E 模式 HEMT 像硅 MOSFET 一样易于使用。
当然，一旦您朝着这个方向迈进，下一步就是进一步集成其他功能，例如特定的传感和控制功能，以提高性能和可靠性。而这一切都是我们技术的核心。看，我们一直听说的关于 GaN HEMT 的一件事是它们是横向的横向晶体管，这是与硅和碳化硅 MOSFET 相比的主要区别和优势之一，因为这允许片上集成。CGD 围绕这一概念进行了详细阐述，并集中精力解决过去几年阻碍 GaN 真正得到广泛采用的主要问题之一，几分钟前我已经提到过，那就是缺乏易用性。因此，CGD 的技术是一种 E 模式，即通常关闭的单芯片解决方案，它可以无缝耦合到标准栅极驱动器。基本上，您不需要添加任何 RC 网络或钳位二极管，也不需要向栅极提供负电压。ICeGaN 的阈值电压约为 2.8 伏，它具有集成的米勒钳位，可确保在任何情况下真正发生在零伏下的关断，这基本上利用了 GaN HEMT 的横向特性，允许客户驱动 MOSFET 等 GaN 晶体管，高达 20 伏的栅极电压。
所以，易用性，我们敢说第一次在E-mode GaN上引入，不需要任何额外的芯片或任何元件，顺便也节省了PCB上的成本和空间。所以，我想说这个概念是完全可扩展的。因此，您可以为低功率制作非常高的 RDS (on) 部件，或为高功率制作非常低的 RDS (on) 部件。通过简单地重塑设计，它可以扩展到低电压，但概念仍然存在，这就是我们基本上认为我们已经实现了最初目标的方式。曾考虑过引入单片集成到功率晶体管中的栅极驱动器的主题，但我想说，这是一个非常好的低功耗解决方案，市场告诉我们，今天，我们知道。但它可能会在高功率时变得有损。我会说，由于片上热耦合，驱动器可能会因功率晶体管的自热而遭受额外的损失。因此，我们认为最好让我们的客户继续使用他们多年来一直使用的 MOSFET 驱动器和硅，让保持栅极驱动器的选择。现在，最终每个栅极驱动器都可以与 E 模式 GaN 耦合：这基本上是像 MOSFET 一样驱动 GaN。
-12:37
毛里齐奥·迪保罗·埃米利奥
因此，我现在要评论的一个主题是热管理方面，而宽带隙半导体、氮化镓，但不仅是碳化硅解决方案，承诺更高的工作温度和更高的效率。如您所知，在将这些设备设计到系统中时，设计人员还需要考虑热管理问题。那么，您的技术战略是什么，您如何看待随着功率密度的增加而对工艺和封装技术的未来发展产生影响的热管理需求？
–11:50
安德里亚·布里科尼
嗯，是的，这是一个很好的观点。当然，您知道 Maurizio，我们大多数参与 GaN 的人经常强调 GaN 的好处之一，即可以在比当今基于硅架构的正常开关频率高得多的开关频率下实现非常高的效率。当然，在这样做时，我们说应使用可表面贴装的封装，以降低电感并支持高频，否则封装将成为真正的瓶颈。因此，人们无法充分利用 GaN 的优势。不幸的是，可用于高功率的 SMD 封装并不多，而制造电源的人们仍然非常依赖于整个封装，如 TO-220、TO-247。CGD 正以面向中低功率应用的 DFN 8X8、DFN 5X6 等 SMD 封装进入市场。但也很重要，特别是对于高功率领域，为了支持数据中心服务器对效率的高需求，假设超过 1 千瓦，开发热增强型 SMD 解决方案非常重要，我们正在通过我们的组装站点做到这一点。当然，它们的热阻非常低。我们将在适当的时候分享这些。原则上，主题是：使用 GaN，我们允许用户缩小他的应用程序，但热量仍然存在。它必须以某种方式消散，我们是否正在走向死胡同？所以，我想说，首先，我们使用 GaN 是安全的，因为人们应该注意到 GaN 的开关损耗是迄今为止最低的。
因此，输出损耗明显低于任何其他技术。栅极电荷比硅好10倍，低于硅和碳化硅。所以，部分答案是，对于 GaN，我们必须处理低得多的热量才能消散。但是当然，散热这个话题很重要，我认为我们将在未来几年看到市场发展的方向之一可能是采用芯片嵌入等解决方案，例如通过更多技术显着降低热阻PCB 内部的有效热管理。但总的来说，我也会说来自 GaN 制造商的其他元素可以帮助改善 PCB 级别的冷却。我之前说过，我们正在将传感和保护功能集成到 GaN HEMT 中。考虑集成电流感应。通常，为了检测电流，需要添加外部检测电阻器，这当然会阻止将晶体管连接到接地层。通过将这一功能引入 HEMT，现在可以将 HEMT 源连接到地。而且这种冷却方式可以更加有效，因为现在您可以根据需要设计冷却路径并专注于实现较低的工作温度，反之亦然，您可以为相同的热量使用更高的 RDS (on)。这就是 50 伏以下 ICeGaN 技术中包含的全部内容。
因此，它是一种组合，晶体管技术可以改善冷却或为用户提供更多自由度。但是，当然，从封装的角度来看，仍然可以做很多事情来帮助 SMD 技术变得像通孔一样具有性能。而且这种冷却方式可以更加有效，因为现在您可以根据需要设计冷却路径并专注于实现较低的工作温度，反之亦然，您可以为相同的热量使用更高的 RDS (on)。这就是 50 伏以下 ICeGaN 技术中包含的全部内容。因此，它是一种组合，晶体管技术可以改善冷却或为用户提供更多自由度。但是，当然，从封装的角度来看，仍然可以做很多事情来帮助 SMD 技术变得像通孔一样具有性能。而且这种冷却方式可以更加有效，因为现在您可以根据需要设计冷却路径并专注于实现较低的工作温度，反之亦然，您可以为相同的热量使用更高的 RDS (on)。这就是 50 伏以下 ICeGaN 技术中包含的全部内容。因此，它是一种组合，晶体管技术可以改善冷却或为用户提供更多自由度。
但是，当然，从封装的角度来看，仍然可以做很多事情来帮助 SMD 技术变得像通孔一样具有性能。晶体管技术可以改善冷却或为用户提供更多自由度。但是，当然，从封装的角度来看，仍然可以做很多事情来帮助 SMD 技术变得像通孔一样具有性能。晶体管技术可以改善冷却或为用户提供更多自由度。但是，当然，从封装的角度来看，仍然可以做很多事情来帮助 SMD 技术变得像通孔一样具有性能。
-08:01
毛里齐奥·迪保罗·埃米利奥
所以，我的最后一个问题是关于展望未来：您如何看待未来几年的 GaN？与 GaN 竞争的其他宽带隙材料有哪些？所以，我提到了一些关于碳化硅的事情。因此，这些天来，我们也在谈论电动汽车。那么，与其他解决方案相比，GaN 在哪些方面可以提供良好的价值？我们期望在哪里看到下一波增长？
–7:29
安德里亚·布里科尼
好吧，首先，如果你问我这个问题，未来是什么，几年前市场还没有，我会说，市场应该很快开始，因为所有的基本面都有。但现在市场确实存在。因此，GaN 正在迅速获得空间，它正在逐步取代硅，但它正在以几乎 100% 的复合年增长率蓬勃发展。从现在的消费应用扩展到服务器、太阳能，当然还有明天，您没有理由不参与电动汽车或混合动力电动汽车的竞争。当然，硅将继续占据主导地位多年。但关键的转折点当然也与产品成本有关。当产品成本将可比时，这可能会发生在旧行业时，我们将使用 200 毫米晶圆，当然，目前还不是这样，到那时，我们将看到硅的快速替代。考虑到，在系统层面，GaN 已经比硅提供了更好的成本，特别是在高功率应用中，但在产品层面，仍然存在差距，这将在低压领域迅速缩小，我们现在已经在 GaN 和硅之间。
因此，我认为 GaN 将继续加快步伐，特别是如果我们作为制造商继续利用 GaN 帽子硅无法应对的特性，如方向性，并进一步坚持集成。当然，碳化硅就在那里，顺便说一句，它出现得更早，并且已经证明了一定程度的成熟度，GaN 仍然需要证明这一点，但碳化硅，我的意思是，我们都知道，鉴于 1200 伏器件的可用性，鉴于其卓越的热性能，它正在迅速取代用于牵引逆变器的 IGBT，但在这里，GaN 也没有理由无法竞争。也许您知道 CGD 参与了一个名为 GaNext 的大型欧洲项目，该项目与重要的 IC 制造商、磁性制造商、学术界和多个不同功率级别的最终用户合作。CGD 是 GaN 解决方案的唯一来源。该项目的目的是为低、中和高功率应用提供原型和演示电源模块。我真的认为，一旦 GaN 模型可用且可靠，那么进入 EV 逆变器市场基本上将是时间和供应链成熟度的问题。来到你问题的最后一部分，您在问 GaN 还能在哪些方面发挥最大潜力？
好吧，如果我们看看今天的大趋势，我们可能会有答案。我们谈论的是气候变化、电动汽车、数字化转型，GaN 被证明是有助于在所有这些领域中实现最高效率的技术。所有真正达到制造阶段的人。我的意思是，我敢打赌……就个人而言，我肯定会打赌数据中心将成为下一个体验 GaN 优势的重要领域。我的意思是，很明显，每提高 0.1% 的效率都会对电费产生直接影响。但也有一个话题，真的，有需要，为什么要浪费更少的能源，这变得越来越宝贵。此外，服务器需要为计算提供越来越多的空间。所以，通过缩小电源空间或从实际体积中挤出更多功率来节省电源空间是一项要求，也是一项重大要求，而 GaN 正是因为这些需求而提供的。
例如，最近 CGD 启动了一个由英国能源部资助的名为 ICeDATA 的项目，旨在为数据中心设计和开发在性能和可靠性方面引人注目的解决方案。所以，我认为GaN会有一个光明的未来。我还认为，CGD 已经为功率半导体这个激动人心的新时代做好了准备。旨在为数据中心设计和开发引人注目的性能和可靠性解决方案。所以，我认为GaN会有一个光明的未来。我还认为，CGD 已经为功率半导体这个激动人心的新时代做好了准备。旨在为数据中心设计和开发引人注目的性能和可靠性解决方案。所以，我认为GaN会有一个光明的未来。我还认为，CGD 已经为功率半导体这个激动人心的新时代做好了准备。
-02:44
毛里齐奥·迪保罗·埃米利奥
谢谢你，安德里亚。因此，很高兴您在本播客中谈论 GaN 技术。谢谢你。
–2:38
安德里亚·布里科尼
谢谢你，Maurizio，请允许我邀请所有想与我们交谈的人，来参观我们 3 月 20日至 24日在德克萨斯州休斯顿举行的应用电力电子会议。谢谢你。
–2:25
毛里齐奥·迪保罗·埃米利奥
谢谢你，安德里亚。因此，正如 Andrea 所说，市场正在蓬勃发展，从移动充电器、适配器等低功率 AC DC 应用开始，以及所有用于消费类应用的开关模式电源。现在，正如 Andrea 所指出的，服务器电源具有良好的吸引力，同时也受到提供最高效率和符合更严格法规的需求的推动。GaN器件有很多概念。级联和增强模式，E 模式 GaN。Cascode 是一种双芯片解决方案，通常在 GaN 上加上一个低压 MOSFET，正如 Andrea 所说，整个器件通过驱动 MOSFET 栅极来工作。因此，驱动低压 MOSFET 非常容易，正如 Andrea 所说，级联共源共栅是一种易于使用的概念。与硅 MOSFET 相比，E 模式非常特殊：它具有极低的阈值电压。正如 Andrea 所说，它与 GaN 专用栅极驱动器或驱动电路一起工作。Cambridge GaN 已将逻辑集成到任何功率晶体管中。它不包含完整的栅极驱动器，只包含能够轻松连接栅极驱动器的特定和关键功能。根据 Andrea 的说法，我们将看到市场进入未来几年的方向之一可能是采用嵌入式芯片等解决方案，通过 PCB 内部更有效的热管理来显着降低热阻。
GaN 正在快速增长，Andrea 押注数据中心将成为下一个体验 GaN 优势的重要领域。Cambridge GaN 已将逻辑集成到任何功率晶体管中。它不包含完整的栅极驱动器，只包含能够轻松连接栅极驱动器的特定和关键功能。根据 Andrea 的说法，我们将看到市场进入未来几年的方向之一可能是采用嵌入式芯片等解决方案，通过 PCB 内部更有效的热管理来显着降低热阻。GaN 正在快速增长，Andrea 押注数据中心将成为下一个体验 GaN 优势的重要领域。Cambridge GaN 已将逻辑集成到任何功率晶体管中。它不包含完整的栅极驱动器，只包含能够轻松连接栅极驱动器的特定和关键功能。根据 Andrea 的说法，我们将看到市场进入未来几年的方向之一可能是采用嵌入式芯片等解决方案，通过 PCB 内部更有效的热管理来显着降低热阻。
GaN 正在快速增长，Andrea 押注数据中心将成为下一个体验 GaN 优势的重要领域。我们将看到市场进入未来几年的方向之一可能是采用嵌入式芯片等解决方案，通过更有效的 PCB 内部热管理显着降低热阻。GaN 正在快速增长，Andrea 押注数据中心将成为下一个体验 GaN 优势的重要领域。我们将看到市场进入未来几年的方向之一可能是采用嵌入式芯片等解决方案，通过更有效的 PCB 内部热管理显着降低热阻。GaN 正在快速增长，Andrea 押注数据中心将成为下一个体验 GaN 优势的重要领域。
工商网监
评论