基于GaN的高功率密度快充正快速成长

程文涛

1 看好哪类GaN功率器件的市场？

2020—2021年硅基氮化镓（GaN）开关器件的商用化进程和5年前（编者注：指2016年）市场的普遍看法已经发生了很大的变化，其中有目共睹的是基于氮化镓件的高功率密度快充的快速成长。这说明影响新材料市场发展的，技术只是众多因素当中的1个。我个人看好的未来5年（编者注：指2022—2027年）的氮化镓应用，包括：快充、服务器/通信电源、电机驱动、工业电源、音响、无线充电、激光雷达等，其中快充会继续引领氮化镓开关器件的市场成长。

相对于硅器件和碳化硅器件，氮化镓的主要优势是其非常小的输入输出寄生参数，带来应用上的好处包括极低的开关损耗，允许超高的开关频率，更高的功率密度，等等。

2 如何让GaN应用尽快落地？

作为功率开关器件的硅基氮化镓在商用化的进程中，除了性能和价格，最引起关注的话题是长期可靠性。目前，氮化镓开关器件绝大多数都是在硅衬底上生长氮化镓，并以二维电子气作为沟道的GaN HEMT（高电子迁移率晶体管）。从2010年IR（编者注：2014年已被英飞凌公司收购）发布的业界第1款硅基氮化镓开关器件到现在，整个业界对硅基氮化镓的研究可以说已经很深入了，但真正大规模的应用还是最近几年的事。相对而言，硅乃至碳化硅在市场上运行的时间要长得多，现存器件数量也大得多，因此氮化镓相对其他两种材料而言，可供分析的失效案例要少很多。这也是消费类的快充成为氮化镓快速成长引擎的1个原因。另外，因为硅基氮化镓超小的寄生参数，使其为用户带来极低开关损耗的优势之外，也大大提高了驱动此类器件的难度。

英飞凌很早就将着眼点放在硅基氮化镓可靠性的研究实践上，并在JEDEC（joint electron device engineering council，国际固态技术协会）标准之上增加了多重措施，确保我们生产的硅基氮化镓的长期可靠性远高于市场平均水平。另外，硅基氮化镓的长期可靠性与器件在其应用场景中的电压摆幅、开关频率、占空比、温度等都高度相关。因此我们建议用户在产品设计中与硅基氮化镓供应商的技术支持人员就具体应用场景作深度交流，以对长期可靠性做出评估。在器件驱动方面，英飞凌开发了专用的氮化镓驱动器，减轻了用户设计驱动电路时的压力。

3 英飞凌的发展规划

硅基氮化镓经过数年的规模化商用，已经证明其突出的性能提升，以及诱人的市场前景。未来几年，该市场将會保持两位数的年复合增长率。与之相呼应，英飞凌为高功率工业类应用及低功率消费类应用都已经量产或规划了分立产品及集成驱动器的产品。此外，英飞凌2021年9月和松下公司签署协议，共同开发基于8英寸（注：1英寸=2.54 cm）晶圆的650 V第二代氮化镓技术。这些器件将更加易用，并提供更高的性价比，主要针对高功率和低功率SMPS（switching mode power supply，开关电源）应用、可再生能源、电机驱动应用等。

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