高功率氮化镓场效应晶体管(GaN FET):性能出色且兼具耐用性和质量的战略方法

Dilder Chowdhury拥有超过24年的半导体从业经验,先是加入了Nexperia的创新团队,然后转至营销岗位,并曾在曼彻斯特担任高功率GaN技术架构师一职。他目前担任高功率GaN技术的战略营销总监。

他的工作涵盖了从器件物理到封装和最终产品的各个方面,在这些方面Nexperia研究并整合了我们公司能够为GaN技术及GaN相关封装、产品和模块带来的所有价值。这是一种战略方法,旨在不影响耐用性和质量的情况下实现最佳性能。

 

Nexperia是GaN技术的开拓者,不仅是在产品方面,生产方面同样如此。您能分享一下是如何做到的吗?

我们的生产必须为客户创造最高的经济效益;我们是一家以汽车元器件为主要业务的公司,因此我们推出的任何新技术都必须保持最高品质。我们在质量上绝不容许任何妥协。我们是一家成熟的半导体公司,每年的半导体器件销量超过900亿件,拥有良好的质量口碑。相对于硅技术而言,高功率GaN是一种新兴技术。这种技术面临着诸多挑战:从epi材料到晶圆处理,再到批量生产。我们采用内部质量流程,在每个创新阶段和生产流程环节中都保持相同的质量和可靠性水准。我们已经推出了我们第一款达到AEC-Q101级别质量标准的产品,并将采用自有的SMD封装CCPAK(铜夹片封装技术),以便保持对生产流程的完全控制和实现批量生产。我们正在将我们的产品引入工业、数据中心和电信基础设施,然后利用自有的前端和后端工厂将其引入汽车市场。我们已经准备好批量生产。

有没有一个门槛,一个你无法进一步提高的水平?

我们不这样认为。虽然一种技术(硅)可能已经接近材料极限,但其他技术(GaN、SiC)正在进一步改进。从某种意义上说,正因为我们看到硅技术已经趋近极限,所以向氮化镓(GaN)技术过渡。对于高压的硅器件,改进空间十分有限。在功率器件方面,硅已接近性能瓶颈。早期的电动汽车系统主要采用硅基器件,但我们正在尝试引入GaN,延长汽车的行驶里程, 而硅器件无法实现。

GaN技术能够延长汽车的行驶里程?您是指使用更大的电池吗?

根本的因素在于开关损耗。每个开关周期中都会出现电流电压交越,这就会产生交越损耗,在转换过程中还会发生干扰及其损耗。如果你能够设计出一种情况,电压降至零,电流升至最高时,电压电流交越最小,那么开关损耗将会接近零。这样可以最大程度地提高效率和延长电池使用时间,实现大约10%的改进。这就是GaN的作用。高功率GaN能够显著降低开关损耗,因此同样的电池可以续航更长时间。

在功率和效率方面,GaN比硅有哪些优势?

从电池到驱动车轮的电机的功率转换是将电能转换为机械能,因此电机自身的效率至关重要。如果不考虑电池本身,只看从电池到电机的路径,它们全部是电子器件。在这些电子器件中,我们可以真正实现改进。目前,这种功率转换的效率大约为92%。如果是100kW的电机,92%的效率就意味着热损耗会产生8kW的热量。一个电热水壶的功率是2kW,所以8kW的热量是相当高的。因此必须采用冷却系统,这又要消耗更多能量或水冷系统。那么,假设你可以将效率提高到98%以上呢。

损耗将减少到四分之一,只有2%,也就是2kW热量,那么可能通过风冷系统即可实现冷却。从硅迁移到GaN就可以实现这个目标。您不仅可以减少损耗,还可以简化系统,使整个系统变得更轻更小,继而可以延长里程。GaN带来的间接益处非常多。

为什么没有更早地采用GaN技术呢?

GaN现在才刚刚上市。过去30年~40年中,GaN一直都在研究中,但不具备实用性。它可以应用到射频领域和无线电领域,例如,4G和5G基站中已经在使用GaN。但在功率领域,由于成本,此前GaN技术可行性不高。人们说如果成本会增加的话,他们宁愿忍受一些可接受的功率损耗。他们愿意承担这些功率损耗,直至GaN技术的成本在合理的价位。所以,它需要具有商业可行性和实用性,而我们正在达到这一目标。硅基氮化镓(GaN-on-Si)提供了更好的成本路线图。

GaN现在的发展情况如何?

这种颠覆性技术正处于转折点。它已经过了早期采用的阶段,进入增长期,初始量产的产品预计用于高性能应用。从生产的角度来看,虽然制造GaN的内部流程有所不同,但我们采用了通过硅知识加以完善的相同生产系统。GaN晶圆和硅晶圆显然不同,这意味着客户使用它们的方式也不相同。我们正在想办法调整大部分流程来确保顺利生产。这将带来巨大的回报,因为这需要运用整个参与团队的所有知识和认识来达成目标,我们相信这个目标一定可以实现。

Nexperia的GaN进展如何?

我们已经在幕后从事GaN研发一段时间。虽然我们每年销售大约900亿件产品,有17,000种产品的产品组合,但迄今为止,其中只有一个已经发布的GaN产品,还有一些在筹备中。这是一项颠覆性技术,我们正在通过研究成果和证据来打消人们对它的顾虑。Nexperia对GaN的主要关注点是汽车电气化,帮助降低二氧化碳排放,减少功耗,打造更环保的未来。电动汽车中需要车载充电器和DC/DC转换器,因为要使用12V/48V/400V电池,它们必须能够相互兼容。您需要插座,这样才能够为电池充电,还需要牵引逆变器,所有这些设备都需要高效的转换。我们的计划是让所有这些转换都采用GaN技术。

未来计划

GaN可以在更高的频率下工作,这意味着你的磁性元器件的体积缩小,同时保持较低的损耗,适配器体积更小,重量更轻和效率更高。从电池到车轮的功率转换器则可能需要几年的时间才能全面推出,我们正在开发评估版本,向世界展示GaN优势。我们不停留于理论。我们从事新技术,探索全新领域,我们是这个蓝海计划先驱者,没有人来过这里。

目前,有很多公司也在探索其他领域,例如碳化硅,目前这种材料的生产较GaN更为成熟。但我们在努力加速超越碳化硅。GaN/SiC/Si三种技术将会共存,因为半导体行业历史发展表明,人们仍在使用旧技术。但这是新的领域,将旧技术无法做到的事情成为可能。

进一步了解高功率GaN FET