PI近日宣布推出1700V氮化鎵(GaN)開關IC，這一技術突破有哪些亮點?它將如何影響高壓氮化鎵市場?

近日，Power Integrations(以下簡稱PI)宣布推出InnoMux?-2系列單級、獨立調整多路輸出離線式電源IC的新成員。該芯片采用PI專有的PowiGaN?技術制造而成，支持更高母線電壓的使用，是業界首款1700V氮化鎵開關IC，更是首個超過1250V的氮化鎵器件。

對于當前的高壓市場而言，碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)作為先進的第三代半導體材料，各自都具有獨特的性能優勢，并在不同領域發揮著重要作用。特別是功率氮化鎵(Power GaN)技術作為后起之勢， Baliga性能指數(與硅相比)高達900，遠高于碳化硅的500，并且其禁帶寬度可以達到3.4eV，高于碳化硅的3.3eV，這使得氮化鎵的器件在高頻、高效、大功率方面更具優勢，逐漸在氮化鎵高壓領域嶄露頭角。

硅基IGBT曾長期統治高壓高電流場景，但隨著碳化硅的出現，其耐高壓、耐高頻以及低能耗的特性使其在高壓市場實現了逐步替代。在1700V的高壓市場中，碳化硅的名字并不陌生。那1700V碳化硅IC已經存在，如此大費周折地開拓高耐壓氮化鎵開關IC的目的何在?

半導體器件應用網的記者在PI的1700V氮化鎵開關IC新品媒體溝通會現場對話PI市場營銷副總裁Doug Bailey以及PI資深技術培訓經理Jason Yan，探討1700V氮化鎵開關IC的重要意義。

01|1700V的突破在哪里?

PI推出的1700V額定耐壓氮化鎵InnoMux?-2IC可以在反激設計1000V DC輸入情況下實現高于90%的功率變換效率，進一步提升了氮化鎵功率器件的先進水平。

為什么突破高壓氮化鎵市場?

目前在氮化鎵開關IC市場的應用中，面對不同的功率的應用，所采用的主流的開關技術也會不同。小于10W的小功率的開關應用仍然使用硅，因為性價比比較高，生產起來也比較容易。而如果有更小體積、更高功率密度的設計目標，則氮化鎵技術具有無可比擬的優勢，因其可以工作于更高頻率，且也更加高效。

100W到1KW的之間的范圍，在傳統的高功率應用當中目前使用最多的還是用到碳化硅和IGBT。隨著未來市場的發展，處于中間位置的SiC市場會慢慢縮小，中間縮小的區間會有相當大的一部分會被氮化鎵所替代。PI致力于開發1700V的氮化鎵開關IC正是基于對氮化鎵技術的深刻理解及對高壓功率氮化鎵器件市場的預測。

碳化硅開關IC一直是一個高能耗產業，碳化硅的外延生長過程耗時較長，而且其獨特產線的投入要求，使其總體成本相對較高。特別是在產品制造的過程中隨著電壓的升高，產品的缺陷就更容易暴露出來。因此，缺陷的減少意味著可以有更高電壓適應環境。

PI市場營銷副總裁Doug Bailey出席新品媒體溝通會

針對“為什么突破氮化鎵高壓市場?”的問題，PI市場營銷副總裁Doug Bailey給出了PI的答案：氮化鎵開關出現在1700V氮化鎵高壓領域的最大意義就在于可以顯著節省產品成本。PI在氮化鎵技術上具有更好的外延生長技術，這就意味著氮化鎵開關IC的產品外延缺陷會更少，而采用傳統的硅技術生產線即可生產氮化鎵的特點，也使得在規劃氮化鎵生產制造以及降低成本上有了更多的自由。

產品新在何處?

PI技術副總裁Radu Barsan表示，新型InnoMux?-2 IC整合了1700V氮化鎵技術和其他三項最新創新技術：獨立、精確的多路輸出調整;FluxLink?，也就是PI獨創的次級側控制(SSR)數字隔離通信技術以及無需有源鉗位即可實現的零電壓開關(ZVS)技術。

1. 獨立、精確的多路輸出調整：

a. InnoMux-2單級架構能大幅提高多路輸出效率，消除了多路輸出應用中常見的后級DC-DC變換，進而降低了損耗;

b. 同時由于采用單級變換，從而可以大幅減少多達50%的元件數量，也便于優化整體電源的EMI特性;

c. 在高達1000VDC母線下可精確控制2組或3組CV輸出(15-70W輸出功率)，在不同輸入電壓及負載條件下均能滿足±1%的調整精度;

d. 次級側實現的零電壓開關操作使得只需一個主功率開關的條件下，在高母線電壓應用中實現了90%的效率，將損耗和熱量減少44%，進而顯著降低了IC的溫升，優化了系統的性能;

e. 高精度輸出的特性，使得無需在輔助輸出端使用假負載，大大優化了空載輸入功率，甚至于空載功耗會低于50mW，而待機功率相對于舊有方案也增加了20%;

f. 1700V耐壓情況下，新型的F封裝提高了高壓引腳與低壓引腳間的爬電距離，保證了整體方案在高母線電壓、惡劣工作環境下電源的可靠性。

2. 次級側控制(SSR)數字隔離通信技術

FluxLink次級側控制數字隔離通信技術，無需光耦器，能有效提升芯片動態響應速度并降低電源輸出電容的容量。

3. 無需有源鉗位的零電壓開關(ZVS)技術

a. 通過次級實現的零電壓開關操作，大大降低了高母線電壓下主功率開關管的開通損耗，提升效率的同時也降低了器件溫升;

b. 器件的低溫升帶來的好處是可以利用PCB板進行散熱——無需散熱片，這對于縮小電源體積、提升功率密度有現實的意義。

E-Mode還是D-Mode?

目前市場上的GaN有E-Mode(增強型)或D-Mode(常閉耗盡型)兩種, PI采用的是D-Mode的技術路線，為什么做出這樣的選擇?

E-Mode GaN是一種常閉型設備，在不增加柵極電壓的情況下，設備處于關閉狀態，不導電;為了形成導電通道，必須增加正柵極電壓——利用偏置層(P-參雜)實現“常開”模式的FET狀態，這樣做會增加驅動不當產生的故障風險。

同時，E-mode要滿足更高的驅動電壓裕量來保證可靠性，就需要降低驅動電壓。這樣會導致器件本身的導通電阻變大，這樣就犧牲了氮化鎵器件低導通電阻的優勢。

PI資深技術培訓經理Jason Yan介紹新品

PI資深技術培訓經理Jason Yan談到：“PowiGaN(共源共柵架構)是一種常開型設備，使氮化鎵器件工作于其天然的“常閉”模式狀態。同時，PI的氮化鎵器件依靠通過串聯一個低壓MOS管來實現功率器件的常開狀態，不會犧牲氮化鎵的天然導通特性，D-Mode在高溫和高壓條件下具有更高的穩定性和壽命。MOS管目前已經具備非常成熟的驅動和保護技術，這樣的架構無論是從保護還是驅動方面來說都不會對氮化鎵的優勢性能產生影響。”

02|在高壓市場的應用將會如何?

根據Yole Group預計，從2022年到2028年，氮化鎵功率器件市場將以49%的復合年增長率增長，市場價值將達到20.4億美元，這一增長得益于氮化鎵技術在提高能效、減小系統尺寸以及降低總成本方面的潛力。

所以氮化鎵目前仍是一個前景產業，無論是從材料、成本還是從技術發展和未來趨勢來看，相比技術成熟的硅以及成本昂貴的碳化硅，氮化鎵都具備更廣闊的空間。

據悉，此次1700V的氮化鎵開關IC的推出正是PI對氮化鎵市場應用趨勢的獨特理解，主動進行技術創新的詮釋。市場營銷副總裁Doug Bailey這樣表示：我們同客戶之間的溝通除了考慮基于客戶的基本需求外，PI更加注重對于市場和應用的理解，進而主動提供一些革命性的新產品與新技術給客戶更多的選擇。

圖源：PI官方

1700V氮化鎵開關IC實現了產品InnoMux?-2高精度的輸出以及1700V高壓的突破的雙創升級，同PI現有高壓解決方案(StackFET?解決方案)相比更具優勢，氮化鎵技術的應用領域也就更廣闊。

此前，Yole Group化合物半導體部門市場活動經理Ezgi Dogmus也表示：“到2029年底，功率氮化鎵器件市場規模將達到20億美元，并將擴展到各個應用領域。PI的1700V氮化鎵開關IC無疑將在這個市場中占據一席之地。”那未來會在哪些應用領域看到1700V氮化鎵開關IC的身影?

圖源：PI官方

針對不同應用領域的氮化鎵產品適配要求，1700V額定耐壓的InnoMux2-EP系列憑借其高達300-1000V DC的寬輸入電壓范圍和強大的1700V耐壓能力，在工業控制、儀表、電機控制、儲能以及太陽能等對電壓范圍和耐壓能力有著極高要求的工業控制領域得到適用。

不僅如此，對于輸入電壓高達308V AC的應用場景，如計算機CPU、微控制器(MCU)、數字信號處理器(DSP)、通信設備、功能性電源(包括傳動裝置、電機、照明、加熱器、揚聲器、家電等)、電視機以及顯示器等領域，現有的750V耐壓的InnoMux-2 器件同樣兼具成本和性能效益。

1700V氮化鎵開關IC以其更小的尺寸、高效率以及高功率密度的解決方案，為氮化鎵高壓市場帶來了更豐富的選擇。

圖源：PI官方

即便氮化鎵的應用前景相當可觀，但是在氮化鎵產品應用前景與產品本身始終無法繞開的一個問題就是如何做好成本與性能之間的兼顧。

圖源：PI官方

在氮化鎵領域如何平衡產品的成本與性能方面，PI從以下兩點進行考慮：第一，使氮化鎵的die size（裸片尺寸）做得越小越好，最大程度上節省成本;第二，降低外延生長期間的缺陷率，同樣一個晶圓尺寸，能夠產出更多芯片數量，使得成本得以降低。PI發揮氮化鎵可以替代碳化硅的天然性能優勢，極大平衡與兼顧成本跟性能兩個方面，提升市場競爭力。

03|寫在最后

隨著技術的不斷進步和成本的進一步降低，氮化鎵有望在高壓領域取代部分碳化硅器件，成為市場的新寵。即便如此，SiC器件在性能指標、工藝成熟度等方面目前較氮化鎵而言確實具備更強的先發優勢。

但值得肯定的是，1700V氮化鎵開關IC作為氮化鎵技術的重要突破，對于高壓市場也有重要的應用，氮化鎵技術未來會如何發展，還會在實際應用中呈現怎樣的效果，我們將拭目以待。

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審核編輯 黃宇