更高效率 更低能耗 镓未来开启氮化镓绿色“芯”未来

前言

8月17日，由充电头网主办的2022（夏季）全球第三代半导体产业峰会在深圳福田会展中心成功举办。本次展会汇集了30多家第三代半导体厂商参展，并邀请了第三代半导体行业人士对行业动态进行介绍以及技术分享。

本次峰会邀请到了珠海镓未来市场部经理冯竺霖先生。

冯竺霖先生的演讲主题是《氮化镓成就绿色能源未来》，主要介绍功率半导体材料特性、Cascode结构氮化镓与E-mode氮化镓的导电原理及其应用性能差异外，还介绍珠海镓未来科技一系列基于Cascode氮化镓的系统应用设计，如PD快充、双向储能、ICT服务器电源、数据中心电源、车载双向DCDC等高效率氮化镓电源解决方案。是本次展会中唯一一家带来多款千瓦级别量产解决方案的氮化镓厂商。

公司介绍

珠海镓未来科技致力于氮化镓功率器件的研发和生产，其产品独特的Cascode结构具有抗干扰能力强、简单易用、高耐压、大功率（10kW）、高可靠性、兼容传统Si MOS器件的驱动电路等特点。

镓未来的核心团队主要由吴毅锋博士领衔。吴毅锋博士是GaN射频器件和功率器件原创性和拓展性贡献人，是全球GaN产业界第一位IEEE Fellow（会士），曾创办Nitres [1997-2000] 被Cree收购，且参与创立Transphorm并担任技术负责人 [2008-2021]，后者已经在Nasdaq上市。

此外，技术团队上研发和应用人员共40人，占公司总人数60%，其中博士和博士后7人，10年以上设计经验人员占比80%，研发人员Cree/Transphorm/TI/AOS，应用人员来自Emerson/ABB/Bel/GreatWall/华为。

2021年7月，镓未来中标国家电网“900V高耐压开关器件”项目，是国内首家开发并量产900V氮化镓器件的厂商。截至今年6月，镓未来已累计获得高瓴、顺为、盈富泰克、大横琴、华发和境成等专业投资机构超2亿元投资。

半导体技术发展和GaN器件

随后，冯竺霖先生介绍了功率半导体材料的特性----Si器件适用于低压高频或高压低频应用，且制造成本低；GaN 和 SiC 都适用于高压高频率高效率应用，其中 GaN 比 SiC 工作频率更高、系统效率更高。

从成本上看，GaN基于硅衬底，能以较低的成本实现高效率，目前成本高于Si器件，但由于效率的明显提升，能够降低系统的使用成本。

在3.2kW的无桥图腾柱PFC应用中，用30毫欧的SiC MOSFET与35毫欧的GaN FET对比来看，采用GaN FET的峰值效率可达到99.05%，用SiC MOSFET的峰值效率为98.85%，GaN方案整体损耗比SiC MOSFET方案节省了17.4%。该效率的提升能帮助电源企业更易通过欧盟能效要求。

驱动方面，SiC MOSFET通常需要负压关断，而镓未来的GaN FET不需要负压关断，驱动更容易。

冯竺霖先生讲解道，最初氮化镓HEMT是常开器件（D-mode），而电源线路中，需要常关特性来实现开关管应用。直观的解决方法是通过Cascode 结构实现常关，代表性的企业有镓未来（GaNext）、Transphorm、Nexperia；也有将驱动及保护线路集成实现常关，如PI、 TI。

另一个技术路线是采用P-Gate实现常关氮化镓（E-mode），比较有代表性的企业是纳微、英诺赛克、ST等。

氮化镓的导电原理，是通过上图黄色的氮化镓和绿色的铝镓氮中间的二维电子气（2DEG）进行导电，当2DEG的浓度非常高时导电率接近于金属。

镓未来通过Cascode结构可实现理想的4V VGS(th)和±20V的Vgs耐压，兼容高压Si MOS的驱动。镓未来TO封装GaN FET已经量产，满足万瓦级大功率应用要求。

E-mode GaN在Gate采用P掺杂，在二维电子气中间形成耗尽层，从而实现常关。这种做法在封装方式上比Cascode简单、便宜，但也有缺点：一是单位面积动态内阻较高，二是阈值电压Vgs(th)只有1.75V ，非常容易误导通，所以无法设计成TO封装，通常仅能用于数百瓦电源。另外，E-mode GaN需要专门设计驱动线路满足 Vgs（-10V~+7V）条件。

Cascode GaN 还具有Vf低，死区损耗小的优点，在中大功率的设计路线上能做到更加简单。

在承受高电压后，GaN器件从动态电阻到静态电阻需要20分钟甚至半天的时间，在许多应用场景上需要注意动态电阻的上升幅度。

Cascode GaN动态电阻低，温度系数好，主要系合作的晶圆厂的晶体质量较好、衬底的缺陷较少，二是器件版图设计时较为均匀，三是技术路线上不需要刻蚀的步骤。

镓未来的功率段主要分为小于500W，500W到3KW，以及大于3KW三个部分的产品。

在650V的产品上，镓未来从480毫欧到15毫欧做得比较突出，在900V上也有推出产品。封装形式上，提供PQFN、TO、DFN、TOLL，且所有650V的器件能够做到最高800V的峰值耐压，900V的器件可支持1500V 峰值耐压。

GaN系统应用

目前越来越多领域对能效有更高的要求，使用氮化镓器件较为容易通过相关法规对设备的能效要求。

在应用场景上， GaNext GaN可应用于消费电子、通信产业、工业应用、光伏和电动车等。

目前主推图腾柱的拓扑，因氮化镓的极低的反向恢复电荷Qrr，可实现连续工作的模式的图腾柱使用，此拓扑可应用于双向整流、储能等领域。

PD65W快充上，镓未来可做到接近2W/cm³ 的PCBA功率密度。

120W快充上，镓未来可做到94.3%的效率、2.14W/cm³ PCBA功率密度，体积可做到接近传统65W的快充体积。

此外，240W、330W功率段上可应用于电动工具或者普通中功率的设备应用，峰值效率均可达到96%以上，功率密度可达到1.41W/cm³（PCBA）。

在双向逆变器的解决方案上，镓未来使用了六颗氮化镓，最高可做到95.65%的逆变效率，比传统IGBT/Si方案高了5个百分点的系统效率，即使在一个风扇下也可保证2kW散热需求，实现良好的稳定性。

镓未来的2kW双向逆变器标准正弦波输出失真率极低。

在服务器方案上，镓未来已应用于2.5kW的ICT导冷电源服务器。

3.6kW的算力电源方案，镓未来在15V/220A的输出负载上，能满载工作状态下实现96%的效率，已经累计成功出货一年多。

最后，冯竺霖先生介绍，以上产品均有在可靠性测试实验室上做出的可靠性报告，真诚为客户服务。

充电头网总结

冯竺霖先生通过幽默风趣的方式向我们介绍了GaN的技术路线及其相关应用上的优势，同时介绍了Cascode GaN在不同方向上的优点，并且已经向市场推出已量产的产品，可应用于多个领域如，消费电子、通信产业、工业应用、光伏和电动车等。镓未来将向市场提供满足客户需求的GaN产品。如有需求的朋友可以扫描上图镓未来官网&公众号二维码，获取最新的产品规格书及应用方案介绍。

相关阅读：

以下热门话题可以点击蓝字了解，也可以在充电头网微信后台回复如下关键词获取专题

「电源芯片」

南芯、英集芯、智融、茂睿芯、必易微、美芯晟、杰华特、华源、硅动力、富满云矽、芯海、天德钰、贝兰德、力生美、创芯微、稳先微、宝砾微、东科、易冲、拓尔微、恒成微、Elevation

「被动器件」

特锐祥、贝特、沃尔德、柏瑞凯、金瑞

「氮化镓」

纳微、英诺赛科、聚能创芯、能华、威兆、镓未来、微硕

「快充工厂」

航嘉、古石、酷科、鹏元晟、瑞嘉达、天宝、田中精机

「品牌专区」

苹果、华为、mophie、绿联、航嘉、公牛、TRÜKE充客、机乐堂、爱国者、魔栖、TECLAST台电、图拉斯、Mcdodo麦多多、MOMAX

商务合作联系：[e-mail]