第三代半导体市场的“互补共生”

　　受访人：Robert Taylor是德州仪器(TI)系统工程营销组的应用经理，负责工业和个人电子市场的定制电源设计。他的团队每年负责500项设计，并在过去20年中设计了15000个电源。Robert于2002年加入TI，大部分时间都在担任各种应用的电源设计师。Robert拥有佛罗里达大学的电气工程学士学位和硕士学位。

1.氮化镓和碳化硅同属第三代半导体，在材料特性上有什么相似之处和不同之处？根据其不同的特性，分别适用在哪些应用领域？贵公司目前在SiC和GaN两种材料的半导体器件方面都有哪些主要的产品？

　　与传统的硅金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)相比，氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)场效应晶体管都能实现更高水平的功率密度和效率。虽然这两种技术都是宽带隙，但氮化镓和碳化硅之间存在着根本性的差异，使得其中一种在某些拓扑结构和应用中比另一种更适合。

　　虽然氮化镓和碳化硅的功率水平有一些重叠，但各自解决的功率需求是不同的。碳化硅器件提供高达1700V的电压和高电流承载能力。这使得它们很适合于汽车和机车牵引逆变器、大功率太阳能发电站和大型三相电网变流器等应用。碳化硅进入市场的时间略长，因此它有更多的选择，例如，相比目前可用的氮化镓解决方案，碳化硅支持更广泛的电压和导通电阻。

　　另一方面，氮化镓的基本特性使其更适合于对高功率密度的关键应用，如服务器和电信电源；工业AC/DC和电源；以及高功率USB-C充电器。将氮化镓器件与类似的碳化硅器件进行直接比较，氮化镓器件的转接损耗会降低25%-50%，并支持更高的工作频率。这些优势来自于氮化镓具有更低的输入和输出电容，以及零反向恢复电荷，与其他技术相比，可大大降低功率耗散。

　　在目前的半导体形势下，许多器件和技术都供不应求，讨论碳化硅和氮化镓的制造工艺也很重要。碳化硅功率场效应管是在碳化硅晶圆上制造的，这意味着碳化硅有一个独立的、不如硅坚固的供应链。此外，大约70%的碳化硅晶圆来自一个供应商，这为选择碳化硅增加了一层风险。氮化镓功率器件几乎总是建立在硅晶圆上，这是与其他使用碳化硅或氮化镓晶圆并经常用于射频的氮化镓技术的重要区别。这种硅基氮化镓工艺意味着氮化镓能够利用便宜得多的硅晶圆供应链。

　　在TI，我们最近发布了三款新的氮化镓产品：LMG3422R030、LMG3422R050和LMG3522R030-Q1。该系列氮化镓产品采用底部和顶部冷却封装，具有多种不同的导通电阻，是首款符合AEC-Q100的汽车市场集成栅极驱动器的氮化镓器件。它们已经一同被几家领先的电源制造商采用，以生产更高效率和更高功率密度的电源。不需要改进效率和功率密度的终端设备倾向于保持现有技术。

2.功率器件是第三代半导体的重要应用领域之一，您认为，相比于传统功率半导体器件，第三代半导体在功率器件应用方面有哪些技术上的优势，又能带来哪些技术指标方面的突破和新应用的涌现？

　　与现有硅器件，比如MOSFET或IGBT相比，GaN和SiC由于不同的物理特性，是具备更好开关性能的新型半导体材料。具体而言，GaN具有低得多的输入和输出电容以及显著降低功耗的零反向恢复电荷。TI的GaN解决方案则更进一步，将栅极驱动器与GaN FET集成，实现了更高的压摆率。开关频率更快，功率损耗更低。市场上要求更高效率和功率密度的应用正以极快的速度向GaN产品过渡。

　　相对于MOSFET和IGBT器件，GaN器件提供了实质性的改进，包括快速开关时间、低导通电阻、较低的门极电容（例如，GaN的单位门极电荷小于1nC-Ω，而Si的单位门极电荷为4nC-Ω），这些特性可以实现更快的导通和关断，同时减少栅极驱动损耗。GaN还提供了较低的单位输出电容（典型的GaN器件的单位输出电荷为5nC-Ω，而传统的Si器件为25nC-Ω），这使设计人员能够在不增加开关损耗的同时实现较高的开关频率，更高的开关频率意味着设计人员能够缩小电源系统中磁性元件的尺寸、重量和数量。凭借更快的开关速度，氮化镓器件帮助设计者实现了超过500千赫兹的开关频率，从而使系统中的磁体体积缩小60%，性能增强，降低系统成本。

4.新能源汽车和充电桩，也是第三代半导体的主要应用领域之一，您认为，在这两个方面，第三代半导体主要的技术应用优势有哪些？对系统的效率和性能，又能带来哪些新的提升以及新应用的可能？

　　德州仪器(TI)的氮化镓功率器件产品系列专注于集成氮化镓的关键特性，以突出氮化镓的优势。我们的氮化镓器件产品系列集成了栅极驱动器和电源管理功能，这些都有助于设计出更高频率和更小尺寸的氮化镓。2020年TI推出了业界首款具有集成驱动器的650V车用GaN FET产品LMG3522R030-Q1。

　　它针对400V电池系统的3.3kW至7kW的车载充电应用得到了优化。在我们的PMP22650、6.6kW车载参考设计中，展示了使用我们的氮化镓器件实现3.8kW/L功率密度和97%效率的能力。这也证明了氮化镓可以为非车载电动车充电器带来巨大的好处。

5.数据中心是节能降耗的一个重要应用领域，您认为第三代半导体可以在哪些方面提升数据中心的能源利用效率？在数据中心中，哪些第三代半导体的产品可以得到广泛的应用。第三代半导体的应用又会如何影响数据中心功能的升级？

　　在设计支持存储、云应用、中央计算能力的电信和服务器系统时使用氮化镓器件，可提供能源效率和功能优势。TI的氮化镓设计可达到80®Plus Titanium标准，并实现超过99%的功率因素校正(PFC)效率。最近，我们在TIDA-010203中配置了99%效率的PFC参考设计，几个主电源已经开始使用TI氮化镓器件。

6.随着第三代半导体材料的推广应用，氮化镓除了在快充领域迅速占领市场以外，未来还将可能在哪些领域崭露头角？贵公司有哪些产品和方案？

　　我们相信在未来的10到20年里，氮化镓将会得到更广泛的应用。一些氮化镓的初代采用者是生产USB电源充电器的中国厂商，我们预计氮化镓在消费品市场的应用会更加普及。如今，使用氮化镓的服务器、计算机和工业电源已投入使用，预计未来5年内它将取得更多的商业应用。而氮化镓在机器人、电机驱动、汽车充电、太阳能电器等其他工业领域也会被更广泛地投入商业应用之中。在当前的汽车市场上，客户正在尝试将氮化镓用于未来的车载充电器和高压直流转换器中。预计在未来五年，氮化镓将走向更广泛的应用。我们也注意到氮化镓被用作"高功率"的营销手段，因此看到其他应用以创新方式配置氮化镓器件也会是非常有趣的。

7.您认为随着成本的下降，未来GaN在中低功率领域能否完全替代二极管、IGBT、MOSFET等硅基功率器件？在功率器件的工艺上第三代半导体带来了哪些改变？

　　“互补共生”是描述这些功率半导体器件未来竞争特点的一个很好的词。在汽车市场上，可以找到一次侧使用氮化镓和二次侧使用IGBTs的高压至低压直流/直流转换器。在TI现有的参考设计中，我们将使用氮化镓、IGBTs或任何一种技术为特定应用提供最佳性能。氮化镓的优势可以在需要更高效率和更小尺寸的设计中得到最大发挥。