【极智课堂】大连芯冠王荣华:从快充谈起氮化镓功率器件的应用

日期:2020-02-29     来源:第三代半导体产业网    
核心提示:大连芯冠科技有限公司技术副总裁王荣华带来了“从快充谈起氮化镓功率器件的应用”的精彩主题分享
 当前,新型冠状病毒仍在持续,对产业及企业造成了一定程度的影响,也牵动着各行各业人们的心。在此形势下,中国半导体照明网、极智头条,在国家半导体照明工程研发及产业联盟、第三代半导体产业技术创新战略联盟指导下,开启疫情期间知识分享,帮助企业解答疑惑。助力我们LED照明企业和产业共克时艰!

本期,我们邀请到大连芯冠科技有限公司技术副总裁王荣华带来了“从快充谈起氮化镓功率器件的应用”的精彩主题分享,以下为主要内容:

一、氮化镓快充的过去、现在与将来

1.    氮化镓快充:行业爆发(2019-2020

20202月,小米65W氮化镓PD快充的发布掀起了业界与投资界对氮化镓功率器件关注的热潮。回顾电源的发展历史,在过去的50年间,电力电子的开关频率不断提高,随之,功率密度也在不断上升。其中,有了新的拓扑结构,也有了新的器件,比如从原来的可控硅到现在的宽禁带半导体。


2.氮化镓快充:六年磨一剑(2014-2020

回溯到2014年,氮化镓功率器件刚起步时,已经有厂商Finsix开展这方面的工作,初始定位的频率是10~30MHz,不过因为此频率对电源设计和芯片的挑战非常高,超出了彼时对电力电子的通常频率界限以及市场的接受能力,并没有能继续下去。

直到2018-2019年,有数十家公司推出几十款氮化镓快充产品。从2014年到2020年,六年时间,芯片厂商技术逐步成熟,制造能力提升,价格降低、性价比逐步提升。智能终端需求的到来是主要的市场驱动力,相应地电源设计厂商加大了技术研发力度,也有手机厂商投入芯片开发。


3. 快充反激拓扑结构:准谐振(QRvs 有源钳位 (ACF),类软开关

QR的拓扑结构开关频率比较低,类似于软开关,但仍有一定的开关损耗;其优势是成本比较低,目前市面上大部分氮化镓快充产品仍然采用QR这种拓扑结构。ACF拓扑可以做到很高的开关频率,但高频下的EMI存在较大的技术挑战,硬件成本较QR拓扑亦有不少的增幅。


4. PD快充的结构设计挑战 – 热管理

随着功率密度的提升,PD快充面临的结构设计与热管理挑战愈加突出。总体来说,效率非用户直接需求,但间接的温升直接决定用户体验。PD快充的主要损耗构成:变压器(磁芯)、主开关管、同步整流管和整流桥,开关频率越高损耗越大。多口输出的集成需求进一步提高结构设计与热管理的难度。成熟的产品需要精细的电源结构设计与生产工艺控制。


5. 氮化镓快充:行业增长

从市场容量方面,以智能手机为例,过去十年的增长量现在基本上达到饱和状态;但每个手机的电池容量在参加,电池的消耗非常大;在过去的几年当中快充需求不断增长,快充已逐渐成为智能手机标配。未来几年,氮化镓快充市场将有非常可观的增长,也会带动整个氮化镓功率器件市场的增长。

二、氮化镓的特点与应用

1. 为什么是氮化镓?

氮化镓作为宽禁带半导体的代表,在同样电压下,与硅相比器件的关键尺寸可以做的更小,导通电阻更小,把功率器件里的关断电压与导通电阻的平衡,提高到了一个新的高度。

2. 氮化镓器件的绝对性能参数优势体现在哪里?


从与硅器件的性能参数对比可以看出,氮化镓在硬开关中的优势大于在软开关中的优势。不过,由于消费类电子中软开关对器件可靠性的要求,或者对器件的考验不如硬开关强烈,市场可以更加快速的起来,因此快充是氮化镓器件替代传统器件的一个理想切入点。工业电子当中,硬开关的使用范围广泛,未来有很大的增长空间。

3. 硬开关应用实例1PFC电源,GaN vs CoolMOS

使用氮化镓功率器件的图腾柱PFC拓扑结构替代使用硅器件的传统二极管整流桥PFC,可以实现:

(1)元件个数更少,线路简单,硬件BOM成本至少下降15%

(2)利用氮化镓体器件超低的反向恢复特性实现转换效率至少2个百分点的提升。

 

4. 硬开关应用实例2:逆变 ,GaN vs IGBT

在半桥或全桥电路中,使用氮化镓功率器件替代硅IGBT,可以实现:

1)高效率:2-8% 整机效率提升;

210 kHz提升至40-100 kHz,滤波电路紧凑

3)理想输出波形、无尖峰


5. 应用实例3:汽车电子, GaN vs IGBT/CoolMOS/SiC/MOS

氮化镓器件主要可应用于车载充电(AC-DCDC-DC)、高压负载(DC-AC)、高压降压(DC-DC)、低压降压(DC-DC)和低压负载(如车载娱乐、激光雷达等)。与碳化硅相比,硅基氮化镓器件的电压等级和输出功率相对小一些,并不太适用于电驱。


总体来讲,汽车电子对可靠性的要求比工业电子更加严苛,验证周期也比较长。据报道,有一些资本多年前就已经开始投资氮化镓芯片制造厂商。

三、氮化镓功率器件发展现状

1. 国际厂商纷纷涉足

氮化镓器件国际上也经过了快十年的发展(如下图),任何的新生事物都遵循着从高预期到理性的发展过程。这期间有很多公司没有坚持下去,如今的快充市场,对于加速氮化镓在其他领域的应用是一个很好的契机。


2. 国内厂商紧跟发展,IDM模式为主


可以看到,国内氮化镓产业链中,IDM环节多为初创型公司,也有一些上市公司做了很多工作。设计代工公司,数量在逐渐增多,体量不是特别大。除此之外,独立分工主要为氮化镓外延供应商,如晶湛半导体和汉骅半导体。

四、氮化镓功率器件产业化技术难点


氮化镓材料和器件的设计理念与传统硅功率器件存在很大的差异,自成闭环体系,以下主要介绍外延、器件和应用三个方面。

1.    氮化镓外延:硅基外延技术难度高,外延设备待国产化以降低成本


2.    氮化镓器件:器件设计需平衡动态导通电阻与耐压水平以及可靠性


3. 氮化镓器件应用 – 非即插即用,重点关注驱动匹配、环路设计和EMI抑制


4.    终端产品中的氮化镓 (650— 氮化镓时代已经到来


五、小结

1. 消费类电子

从消费类电子的角度来看,氮化镓快充的爆发不仅是资本市场的爆发,更是需求的爆发;价格是消费电子的核心竞争力之一。结合高速开关器件特点的高频开关电路设计、热管理和 EMI是消费类电子产品设计的主要技术挑战。快充是氮化镓功率器件理想的市场切入点,但不是全部。

2. 工业电子、汽车电子

价格敏感度稍低,不追求极致的开关频率,更关注高功率下的转换效率。工业电子与汽车电子中硬开关是氮化镓功率器件的优势应用场景,但可靠性要求高、验证周期长。

3.  芯冠科技期待与各方合作,共同加速氮化镓功率器件的市场推广

芯冠科技已量产经可靠性验证的高压氮化镓功率器件,满足消费电子、工业电子和汽车电子的需求。

 

最后,感谢极智课堂在这个特殊时期提供平台和机会,让我们跟各位朋友能一起交流氮化镓功率器件的技术与应用,也期待与业界同仁更多交流探讨。

 

关于大连芯冠科技有限公司

大连芯冠科技有限公司是一家由海外归国团队创立的半导体高新技术企业,于2016年成立于大连高新区。公司采用整合设计与制造(IDM)的商业模式,主要从事第三代半导体氮化镓外延材料及电力电子器件的研发、设计、生产和销售,产品应用于电源管理、太阳能逆变器、电动汽车及工业马达驱动等领域。

 

公司已建成首条6英寸硅基氮化镓外延及功率器件晶圆生产线。20193月,芯冠科技在国内率先推出通过可靠性认证、符合产业化标准的650伏硅基氮化镓功率器件产品,并正式投放市场。公司已与国内多家半导体功率器件及下游电源厂商展开深入合作,开发基于氮化镓器件的新一代各类电源产品,包括PD快充、数据中心/服务器电源和新能源汽车车载充电机等。

 

问答环节

1. GaAs在功率和射频器件和GaN市场有没有竞争,差异在哪里,以及AlN的前景是否明朗?

王荣华:这个问题更多与射频相关,GaAs通常擅长的是功放等,比如在基站和手机当中。但是在3.5GHz以上基站功率要求大的时候,GaAs功率密度不能满足要求,所以才对氮化镓5G射频基站产生了很大的需求。

不过在小功率基站中,GaAs还不会消失,会继续使用,在电力电子领域没有应用。目前,AlN更多用在射频滤波器中。

 2.  GaN器件的散热工艺和研究有没有可以提升的空间或者有没有新的方向?

王荣华:散热部分,产业界更多在封装端进行改进,采用高导热陶瓷基板和银烧结贴片等;也有一些新的封装结构,更好的把热能散发出来。器件端并没有太多新的投入,研究阶段可能有做金刚石、石墨烯覆盖,但是离量产应用还有一定距离。

 3.     能否评论下GaN vertical功率器件的应用前景?

王荣华:从产业角度,并没有太多关注GaN vertical功率器件。总体认为,GaN vertical功率器件的成本不会低,至少不会比碳化硅低。碳化硅器件会对GaN vertical功率器件以后的市场推广形成一定的障碍。

 4.     最近国家发布了智能汽车相关战略规划,GaN在汽车电子高温场景中应用前景如何?

王荣华: 氮化镓器件本身完全能够支撑两三百摄氏度的工作环境,但现有汽车电子里的器件温度比民用和工业用并没有高太多,普遍在175摄氏度左右。更高的结温需求,要在封装环节选择更高端的塑封料和贴片材料。目前,市场上已经有通过汽车电子可靠性认证的氮化镓器件。

 

5.GaNSiC的市场会是互补还是竞争,在目前SiC市场还没有全面打开的情况下GaN如何应对?

王荣华:在目前碳化硅衬底本身还比较贵的时候,GaNSiC的市场是互补的。说到竞争,主要在650伏之间的领域有竞争,不过即使是在650伏,氮化镓和碳化硅在性能上也有差异,氮化镓在开关速度和反向Vsd等方面依然有优势。当碳化硅成本在降低的同时,氮化镓器件也会做同样的工作。

6.     目前GaN功率器件可靠性这方面有哪些关键问题需要研究?

王荣华:经过十年的发展和积累,可能前期市场没有打开的很好,但是器件级别的可靠性方面积累了相当多的数据,比如失效率、加速寿命、激活能等等,但推导背后的物理机制,如何引起的,又该如何改进等需要从机理上分析解决。
 

产业角度,器件可靠性还应关注系统应用级别,终端系统中的过压、过流以及浪涌等条件下的器件失效可能存在新的模式,需要小批量实际应用中的案例反馈,芯片厂商进行及时的理解与改进。

 

另外,未来器件芯片尺寸缩减,外延厚度减薄的时候,要清楚的知道哪些参数是可以调整的,哪些参数是不可以随便调整的,这也是需要研究的内容。

                                                (文字根据直播内容编辑整理,略有删减)

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