如何將化鎵器件耐壓提升到更高水平

最近，Power Integrations針對氮化鎵（GaN）的發展趨勢進行了一場精彩的直播活動，旨在向觀眾們深入解析這一領域的最新動態。

本次直播為Power Integrations的高層一起討論氮化鎵的發展歷程。他們（從右到左）分別為技術副總裁Radu Barsan、董事長兼首席執行官Balu Balakrishnan、產品開發副總裁Roland Saint-Pierre 與汽車業務發展總監 Peter Vaughan。

針對氮化鎵器件未來的發展，PI高層堅信，與硅技術甚至是碳化硅技術相比，氮化鎵可以說是一種更加適合于高壓開關應用的技術。這是因為相較于碳化硅，氮化鎵在成本效益方面具有更大的優勢。隨著技術的不斷進步和市場的逐漸成熟，氮化鎵的成本效益將進一步提升。

PI高層認為，在未來功率轉換應用領域當中，當功率達到某個水平以上時，氮化鎵必將取代硅，成為更具成本優勢且性能更優越的技術選擇。這一趨勢不僅體現在高壓開關領域，還將在更多其他功率轉換應用場景中得到體現。

為了實現這一目標，PI正在加大研發投入，不斷優化氮化鎵器件的性能和可靠性。他們相信，通過持續的創新和技術進步，氮化鎵將在高壓開關應用以及其他功率轉換領域發揮越來越重要的作用。同時，他們也期待與全球合作伙伴共同推動氮化鎵技術的發展和應用，為全球客戶提供更高效、更可靠的能源解決方案。

在本次直播中，特別提到了共源共柵結構的氮化鎵器件。這是一種將處于“常閉”狀態的氮化鎵器件，與一個低壓的MOSFET相串聯的器件架構。低壓MOSFET的漏極與氮化鎵的源極相連，由控制器來控制低壓MOSFET的導通和關斷，從而對整個高壓器件的狀態加以控制。這樣的結構具有很多的優點。

首先，它有助于進行無損耗的電流檢測，這對于精確監測電路中的電流變化非常關鍵。由于低壓MOSFTE與氮化鎵開關管是串接的，因而此時只要檢測低壓MOSFET的電流就可以了。其次，利用這個結構，能夠實現自偏置供電，從而簡化了電源的設計和可靠性要求。此外，共源共柵結構還能夠將擊穿電壓擴展到比硅開關以及增強型氮化鎵開關更高的水平。

目前已經有一款經過車規認證的900V氮化鎵器件，PI有信心將化鎵器件耐壓提升到更高的水平。

在考慮器件、材料和結構方面的原因時，PI認為將眾所周知的耗盡型氮化鎵與低壓場效應晶體管（FET）相結合，形成共源共柵的結構是最佳的選擇。其中一個重要原因是可靠性。氮化鎵器件，即所謂的HEMT（高電子遷移率晶體管），在自然狀態下是一種“常閉”的器件。如果人為地將其變成增強型器件，就會增加風險。增強型器件在柵極結構的耐用性方面存在弱點，需要使用復雜的負向柵極電壓驅動來克服噪聲對驅動的影響，這會導致較低的驅動電壓閾值。

另一個共源共柵結構的優點是可以充分利用硅器件當中已經具備的各種功能，來滿足具體功率應用的需要。而在單一的增強型氮化鎵器件當中實現這些功能所需的成本則要高得多。因此，PI將這兩種技術的精華融合到了這個架構當中，以實現更高效、更可靠的功率轉換解決方案。

對于自身氮化鎵產品的技術優勢，PI擁有專利的封裝以及特有的控制方式，可以在整個工作范圍內實現恒定的高效率。氮化鎵是一項關鍵的技術，可以將電源的功率密度和效率提高到硅MOSFET無法達到的水平。PI的氮化鎵技術使他們能夠更容易地達到更高的電壓，而不會遇到其他人在氮化鎵技術方面通常所面臨的挑戰。從長遠來看，器件能夠達到更高的電壓，可以解決800V母線電池系統的問題。與市場上大多數其他氮化鎵產品相比，PI的氮化鎵結構具有獨特的成本效益。

PI的PowiGaN技術與同行所使用的其他氮化鎵技術，在生產及可靠性管控方面也有所不同。他們的開發工作涵蓋了產品制造和設計環節的各個方面，從外延生長到晶圓廠的晶圓制造，再到可靠性測試、器件本身的設計以及生產過程中的質量控制，一直到性能和可靠性的系統級驗證。在產品認證期間，將會進行非常嚴苛的可靠性測試，并執行一些JEDEC標準的測試。

PI非常重視整個開發過程和生產篩選環節的質量監控能力。首先，將對氮化鎵進行失效測試，而不僅僅局限于通過某些固定的建議的產品合格標準。因此，從外延生長到最終產品測試，PI始終保持端到端的質量控制。這也是使PI的PowiGaN與其他氮化鎵廠商不同的地方之一。

PI對他們產品具體使用環境的理解也有著獨特的專長。在某些國家的特殊情況下，輸入電壓可能會發生一些奇怪的事情，這會影響到產品的穩定性。正因為他們擁有這方面的專業知識，才能反復錘煉設計并進行周全的考慮，以確保氮化鎵產品的穩定可靠，并具有非常堅固和強大的可靠性。

在一款氮化鎵產品發行前，它可能已經在實驗室進行了四至五年時間的測試和改進。PI在產品開發本身也做了很多努力。在控制器中，為器件設置了許多保護機制，以確保當客戶在使用器件遇到故障時，能夠盡可能地提高元件的可靠性。

總之，PI的PowiGaN技術在封裝、控制方式和可靠性方面都與眾不同，致力于提供穩定可靠的氮化鎵產品，以滿足客戶的需求并超越他們的期望。

那么針對汽車行業，對GaN技術的接受度是如何的呢？PI認為，隨著交通的電氣化和汽車市場的快速變化，人們的態度也發生了一些變化。汽車行業對新想法、新事物的接受度也更加開放。碳化硅作為一種能夠提供OEM廠商所追求的性能和效率表現的技術，雖然具有卓越的性能，但價格較為昂貴，屬于一種昂貴的技術。而氮化鎵則能以更低的成本實現類似的性能，因此人們對氮化鎵的前景充滿期待。

氮化鎵作為開關技術的優勢之一就是可以設計出非常緊湊、效率非常高的幾百瓦的變換器。這使得車輛能夠在充電時通過變換器來供電運轉。這種高效的轉換能力使得車輛在行駛過程中能夠更有效地利用電能，提高能源利用率。

氮化鎵在汽車領域的應用與汽車行業的需求能夠完美結合。其具有高效率和小型化的特點，以及減少元件數量的優勢，都符合汽車行業對于產品尺寸、重量和能效的要求。因此，氮化鎵的應用為汽車行業帶來了巨大的潛力和機遇。

PI致力于為客戶提供完整的商業解決方案，包括氮化鎵器件的設計、制造和支持服務。通過與客戶緊密合作，PI可以根據其特定需求定制開發適合的解決方案，并提供全面的技術支持和維護服務。

隨著汽車行業對于新技術的接受度不斷提高，氮化鎵作為一種高效、小型化和低成本的技術，正逐漸受到行業的青睞。PI相信，氮化鎵在汽車領域的應用將會越來越廣泛，并為行業的發展帶來新的機遇和挑戰。

編輯：黃飛

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