最近，緯湃科技和英飛凌在氮化鎵領(lǐng)域傳來(lái)最新進(jìn)展。緯湃科技將采用英飛凌CoolGaN?晶體管來(lái)打造功率密度更高的12V DCDC轉(zhuǎn)換器。

據(jù)悉，本次緯湃科技基于氮化鎵設(shè)計(jì)的DCDC為其Gen5系列，采用隔離式半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，包括一個(gè)基于氮化鎵的全橋、一個(gè)完全隔離的變壓器和一個(gè)適用于各個(gè)相的有源整流器。轉(zhuǎn)換功率為3.6kW，功率密度提升至4.5kW/L。與液冷Gen5系列相比，轉(zhuǎn)換效率超過(guò)96%。開關(guān)速度也從100kHz提高至250kHz以上。并且采用被動(dòng)冷卻方案。因此在提升功率密度的同時(shí)，還可以實(shí)現(xiàn)成本降低的可能。

采用的氮化鎵產(chǎn)品為英飛凌的CoolGaN?晶體管，電壓等級(jí)為650V，采用頂部散熱的TOLT封裝。其他參數(shù)方面，導(dǎo)通電阻為50毫歐，瞬態(tài)漏極至源極電壓為850V，IDS,max和IDSmax,pulse分別為30A和60A。雖然氮化鎵電壓上限為650V，但通過(guò)串聯(lián)切換兩個(gè)相位的方式，該DCDC可以支持800V平臺(tái)的電壓轉(zhuǎn)換。

英飛凌CoolGaN?

但目前為止，緯湃科技和英飛凌均未進(jìn)一步透露終端客戶情況。

01.

氮化鎵何時(shí)上車

作為第三代半導(dǎo)體的兩個(gè)重要分類，氮化鎵在汽車上的應(yīng)用顯然要比碳化硅要慢的多。

其實(shí)早在2010年左右，GaN HEMT就出現(xiàn)在產(chǎn)業(yè)界的視野中。與碳化硅相比，氮化鎵在同等漏源導(dǎo)通電阻情況下，擁有更快的開關(guān)能力。也就意味著FOM值表現(xiàn)更好。尤其是在高頻應(yīng)用中，表現(xiàn)更好。本次緯湃科技氮化鎵DCDC的工作頻率從100kHz提升到250kHz也說(shuō)明了這一點(diǎn)。

此前上海慕尼黑電子展期間，英飛凌展示其基于氮化鎵開發(fā)的OBCdemo產(chǎn)品，現(xiàn)場(chǎng)的工程師告訴NE時(shí)代，采用氮化鎵器件后，功率頻率得以大幅提升，最大可到500kHz。對(duì)應(yīng)的便可以減少變壓器器件的用量，進(jìn)而降低系統(tǒng)的成本。（詳情可查看NE時(shí)代新能源，NE帶您云逛展 英飛凌展臺(tái) 第二部分視頻內(nèi)容）。

當(dāng)然氮化鎵也有自身的局限性。目前主要兩個(gè)原因制約了其在汽車上的應(yīng)用。一是其自身成本，二是功率限制。成本主要來(lái)源于技術(shù)限制，尤其是上游材料的制備，氮化鎵只能通過(guò)氣體反應(yīng)合成，而粉末氮化鎵只能通過(guò)氨氣流中以1000度以上的溫度加熱金屬鎵半小時(shí)才能形成。功率限制主要是氮化鎵目前難以實(shí)現(xiàn)大尺寸的芯片生產(chǎn)。因此目前氮化鎵在射頻、消費(fèi)電子等高頻小功率領(lǐng)域應(yīng)用較多，而在汽車這類大功率要求的的領(lǐng)域則進(jìn)展緩慢。

此外，在汽車行業(yè)，目前基于氮化鎵的產(chǎn)品還處于研發(fā)階段，此前英飛凌曾表示，氮化鎵大規(guī)模上車預(yù)計(jì)在2026年左右實(shí)現(xiàn)。

02.

哪種方案將會(huì)勝出

目前迫切需要解決的是其功率方面的限制，以及合適的驅(qū)動(dòng)芯片。目前的方案主要四種方案。

回到氮化鎵器件的結(jié)構(gòu)本身，下圖是典型的耗盡型氮化鎵HEMT結(jié)構(gòu)。可以看出氮化鎵是橫向器件，即源級(jí)、門級(jí)和漏極都在芯片的上表面。

在氮化鎵和AlGaN界面處會(huì)形成2DEG通道，電流就從該通道經(jīng)過(guò)。由于2DEG通道是自然形成的，因此整個(gè)氮化鎵處于常開狀態(tài)，若想要關(guān)閉，就需要給柵極施加負(fù)電壓，從而耗盡溝道內(nèi)電子。因此稱之為D-mode。

由于耗盡型氮化鎵為常開，但實(shí)際工作中要求功率器件常閉。因此就需要將耗盡型氮化鎵優(yōu)化為常閉，目前主要有兩種方案，主要包括級(jí)聯(lián)（Cascode）和直驅(qū)（Direct Drive）。其中級(jí)聯(lián)型的D-mode GaN是通過(guò)利用低壓Si MOSFET的開關(guān)帶動(dòng)整體的開關(guān)，從而將常開型變?yōu)槌ｊP(guān)型。

級(jí)聯(lián)型D-mode，圖源：納芯微

級(jí)聯(lián)型D-mode的優(yōu)勢(shì)在于兼容目前的硅基的驅(qū)動(dòng)電路，采用0V/12V驅(qū)動(dòng)控制。但由于氮化鎵的工作頻率遠(yuǎn)高于硅基，因此半橋中點(diǎn)的電位會(huì)產(chǎn)生較高的dv/dt跳變，進(jìn)而產(chǎn)生在驅(qū)動(dòng)芯片內(nèi)部產(chǎn)生共模電流，對(duì)信號(hào)造成干擾。

共模干擾傳播路徑，圖源：納芯微

因此在選擇氮化鎵驅(qū)動(dòng)芯片時(shí)共模瞬變抗擾度（CMTI）便是其非常重要的一個(gè)指標(biāo)。目前包括Visic、安世半導(dǎo)體在內(nèi)推出的是級(jí)聯(lián)型的D-mode GaN方案。國(guó)內(nèi)芯片企業(yè)納芯微推出的NSD1624、NSI6602V/NSI6602N驅(qū)動(dòng)芯片也均是針對(duì)級(jí)聯(lián)型的D-mode GaN。

直驅(qū)D-mode方案主要來(lái)自于TI。其內(nèi)部集成了負(fù)壓buck-boost電源產(chǎn)生-14/0V電平進(jìn)行關(guān)/開的控制。與級(jí)聯(lián)型D-mode相比，雖然內(nèi)部也串聯(lián)了硅基器件，但芯片正常工作工作上電后硅基器件會(huì)始終能夠?qū)ā?/p>

圖源：《玩轉(zhuǎn)GaN氮化鎵功率器件(2)---D-Mode vs. E-Mode》 泡瓦伊萊克超尼克斯

氮化鎵的另外一個(gè)分支是增強(qiáng)型E-mode。不同于級(jí)聯(lián)型D-mode器件，E-mode不需要串聯(lián)硅基部件，而是直接對(duì)GaN柵極進(jìn)行p型摻雜來(lái)修改能帶結(jié)構(gòu)，改變柵極的導(dǎo)通閾值，從而實(shí)現(xiàn)常斷型器件。

根據(jù)柵極結(jié)構(gòu)不同，E-mode GaN又分為歐姆接觸的電流型和肖特基接觸的電壓型兩種技術(shù)路線。

電流型E-mode技術(shù)被英飛凌所采用，一定程度上解決了電壓型驅(qū)動(dòng)面臨的低電平閾值、窄電平范圍的限制。但由于特別的柵極特性，因此驅(qū)動(dòng)也非常復(fù)雜。

目前主流的E-mode器件為電壓型，如GaN system，ST等等。值得一提的事，GaN system去年已經(jīng)被英飛凌收購(gòu)。

電壓型E-mode GaN結(jié)構(gòu)，圖源：納芯微

電壓型E-mode GaN的優(yōu)勢(shì)在于低的開關(guān)損耗以及EMI噪聲。和級(jí)聯(lián)型D-mode相比，氮化鎵自身優(yōu)勢(shì)的開關(guān)特性也不會(huì)被影響。但存在的問(wèn)題主要是驅(qū)動(dòng)電壓范圍較窄，開啟閾值也很低，對(duì)驅(qū)動(dòng)回路的干擾與噪聲會(huì)比較敏感，容易造成誤開甚至柵極擊穿。

E-mode GaN和Si Mos驅(qū)動(dòng)電壓對(duì)比，圖源：納芯微

End.

氮化鎵因其高頻特性優(yōu)勢(shì)一直備受關(guān)注，但目前距離上車仍有一段距離。一是其自身方案尚未統(tǒng)一確定，二是下游客戶產(chǎn)品需要一定時(shí)間。從進(jìn)展來(lái)看，OBC、DCDC等低功率部件上車的速度要快于主驅(qū)，預(yù)期目標(biāo)在2026年之后實(shí)現(xiàn)上車。目前來(lái)看，電壓型的E-mode和級(jí)聯(lián)型D-mode都有很大機(jī)會(huì)勝出。除了OBC、DCDC這些小功率產(chǎn)品外，相關(guān)企業(yè)也在探索主驅(qū)應(yīng)用的可能，比如Hofer、上海電驅(qū)動(dòng)等都有相關(guān)產(chǎn)品推出，甚至與三電平結(jié)合以充分發(fā)揮氮化鎵的特性。只是在如今“價(jià)格戰(zhàn)”的背景下，氮化鎵作為新生技術(shù)是否有足夠的潛力來(lái)應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)依然是個(gè)很大問(wèn)題。

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