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GaN产业链分析,有哪些厂商正在布局?

2019-07-08
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随着技术的发展,终端设备对于半导体器件性能、效率、小型化要求的越来越高,特别是随着5G的即将到来,也进一步推动了以氮化镓(GaN)为代表的第三代半导体材料的快速发展。

GaN的神奇

1、GaN是什么?

GaN是极稳定的化合物,又是坚硬的高熔点材料,熔点约为1700℃,GaN具有高的电离度,在III-V族化合物中是最高的(0.5或0.43)。在大气压力下,GaN晶体一般是六方纤锌矿结构。

2、GaN器件逐步步入成熟阶段

氮化镓技术可以追溯到1970年代,美国无线电公司(RCA)开发了一种氮化镓工艺来制造LED。

自上世纪90年代开始,基于GaN的LED大放异彩,目前已是LED的主流。现在市场上销售的很多LED就是使用蓝宝石衬底的氮化镓技术。

除了LED,氮化镓也被使用到了功率半导体与射频器件上。基于氮化镓的功率芯片正在市场站稳脚跟。

2010年,第一个GaN功率器件由IR投入市场,2014年以后,600V GaN HEMT已经成为GaN器件主流。

2014年,行业首次在8英寸SiC(碳化硅)上生长GaN器件。

3、GaN在电力电子领域与微波射频领域均有优势

①、GaN在电力电子领域:高效率、低损耗与高频率

高转换效率:GaN的禁带宽度是Si的3倍,击穿电场是Si的10倍。因此,同样额定电压的GaN开关功率器件的导通电阻比Si器件低3个数量级,大大降低了开关的导通损耗。

低导通损耗:GaN的禁带宽度是Si的3倍,击穿电场是Si的10倍。因此,同样额定电压的GaN开关功率器件的导通电阻比Si器件低3个数量级,大大降低了开关的导通损耗。

Si功率器件开关速度慢,能量损耗大(来源:太平洋证券)

GaN开关速度快,可大幅度提升效率(来源:太平洋证券整理)

高工作频率:GaN开关器件寄生电容小,工作效率可以比Si器件提升至少20倍,大大减小了电路中储能原件如电容、电感的体积,从而成倍地减少设备体积,减少铜等贵重原材料的消耗。

②、GaN在微波射频领域:高效率、大带宽与高功率

更高功率:GaN上的电子具有高饱和速度(在非常高的电场下的电子速度)。结合大电荷能力,这意味着GaN器件可以提供更高的电流密度。RF功率输出是电压和电流摆动的乘积,因此更高的电压和电流密度可以在实际尺寸的晶体管中产生更高的RF功率。在4GHz以上频段,可以输出比GaAs高得多的频率,特别适合雷达、卫星通信、中继通信等领域。

更高效率:降低功耗,节省电能,降低散热成本,降低总运行成本。

更大的带宽:提高信息携带量,用更少的器件实现多频率覆盖,降低客户产品成本。也适用于扩频通信、电子对抗等领域。

另外值得一提的是,GaN-on-SiC器件具有出色的热性能,这主要归功于SiC的高导热性。实际上,这意味着GaN-on-SiC器件在耗散相同功率时不会像GaAs或Si器件那样热。“较冷”设备意味着更可靠的设备。


在晶体管级,GaN比传统硅晶体管具有更高的电流、更快的开关速度和更小的物理尺寸。还可以使用增强模式GaN (e-GaN)和采用Cascode结构 FET GaN开关结构。

e-GaN开关是一种正常关闭的GaN高电子迁移率晶体管(HEMT),它的工作原理与普通MOSFET类似,但需要更多的注意门驱动电路的设计。e-GaN HEMTs就是专门为开关而设计的门驱动器。在Cascode结构中,Cascode耗尽模式GaN开关与硅MOSFET串联使用常开耗尽模式GaN HEMT。硅MOSFET控制开关中的氮化镓HEMT的开关,因此可以使用标准的MOSFET栅驱动器,并集成了GaN HEMT和相关的GaN门驱动电路的部件也可使用。


应用前景

随着越来越多的供应商向市场提供产品,GaN在电力应用中的应用显著增长。相对于硅,GaN具有更高的开关频率、更低的损耗和更小的物理尺寸。这意味着工程师在设计有限空间和高效率的电力电路时有更多的选择。从GaN中获益最多的应用程序是那些需要高效率或紧凑物理空间的应用程序。在服务器、电信、适配器/充电器、无线充电和D级音频等市场有着光明的情景。


厂商产品一览

EPC

自从2009年推出商用增强型GaN (eGaN)晶体管以来,EPC现在提供了广泛的GaN FETs和集成GaN器件选择。场效应晶体管有单晶体管和阵列两种,单极晶体管Vdss额定值可达200 V,连续ID可达90a (TA = 25°C)。晶体管阵列有双共源、半桥和半桥+同步引导配置。此外,集成的GaN器件——EPC2112和EPC2115,EPC2112包含一个200伏GaN功率晶体管和一个2.9mmx1.1mm封装优化栅驱动器;EPC2115包含两个单片150伏GaN功率晶体管,每个晶体管都有一个优化的栅极驱动器,封装在一个2.9毫米x 1.1毫米的封装中。

由于GaN晶体管比硅晶体管小得多,故而EPC设备采用芯片级封装。这种组合使得更小的设备使用更少的PCB空间,让成本更低。更小的引脚和更卓越的性能使得GaN无法设计更大的硅零件。EPC的FETs和ICs在评估版和展示板上访问快速启动指南,示意图,BOMs和Gerber文件。

英飞凌

英飞凌在硅(Si)、碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)技术中提供基于半导体的电力设备。在GaN技术方面,英飞凌开发了用于高压GaN开关的600v CoolGaN增强模式(通常关闭)GaN电源晶体管和EiceDRIVER单通道隔离栅驱动芯片。1EDF5673K、1EDF5673F和1EDS5663H EiceDRIVER栅极驱动器IC与CoolGaNpower fts具有很强的互补性。GaN EiceDRIVER系列的主要优点包括正栅和负栅驱动电流,在非相位时能将栅电压牢牢地保持在零,以及集成的电流隔离。

Navitas

集成电路是集成了GaN功率场效应晶体管、门驱动器和逻辑的单片GaN芯片。Navitas提供GaN电源集成解决方案,将完整的电路集成在一个模具中,在尺寸、开关速度、效率和易于集成方面具有显著的优势。NV6113、NV6115和NV6117是单开关设备,可用于buck、boost、半桥和全桥等拓扑。NVE031E是NV6115的电源演示板。

德州仪器公司

TI提供GaN驱动器和集成的GaN电源级设备。驱动程序为设计人员提供了选择GaN输出FET的灵活性,以满足特定要求。集成功率级器件可将寄生电感降至最低,从而提高开关性能,减少电路板空间。

TI的GaN驱动程序包括LMG1205、LMG1210、LMG1020和LM5113-Q1。LMG1205的设计是在同步降压、升压或半桥结构下驱动高侧和低侧增强模式GaN FETs。LMG1210具有与LMG1205相同功能,但提供了优越的开关性能、电阻可配置的死区时间以及用于更广泛VDD范围的内部LDO。LMG12xx评估板包括LMG1205HBEVM和LMG1210EVM-012。LMG1020是一个单一低侧驱动程序,用于在高速应用中驱动GaN和逻辑级MOSFET上。LM5113-Q1用于驱动高侧和低侧增强模式GaN FET或硅MOSFET同步降压、升压或半桥结构的汽车应用,并符合EC-Q100,它的评估版是LM5113LLPEVB。

TI的集成电源级设备包括LMG3411和LM5200。LMG3411集成了600伏GaN场效应管、驱动器和保护电路,它的评估板是lmg3411ev -029。LMG5200集成了两个80伏GaN场效应管,由一个高频驱动器驱动,采用半桥结构。

Transphorm

最后,Transphorm提供的GaN电源开关,其基础是一个正常关闭的低电压硅MOSFET和一个正常打开的高电压GaN HEMT[1]在Cascode结构。

Transphorm的GaN器件就像带有低电荷体二极管的超高速场效应晶体管。与传统硅相比,具有较短的恢复时间等优点。开关提供非常快的上升与上升时间<10 ns。可以用在650伏和900伏的设备上。

增强型GaN HEMT可在低、中压范围(高达200V)使用,很快就可以达到更高电压(600V)。然而,就当今的技术而言,由于面临闸极驱动设计挑战,所以必须平衡增强型元件的便利性、性能和稳定性,增强型GaN HEMT的临界值电压较低,而且可以完全导通的增强型VGS和绝对最大额定值的VGS通常只差1V。鉴于GaN HEMT的开关速度极快,促使从漏极耦合到闸极的C dv/dt造成闸极驱动电路很容易受到「闸极反弹」电压的影响。尽管如此,增强型GaN HEMT仍然具有诱人优势,并且将来的产品设计毫无疑问会越来越好。


[1]基本的GaN构建模组就是高电子迁移率电晶体(HEMT),它由一块基板上生长的各种GaN层构成。HEMT基本上是一种超高速、常开元件,像通过施加负闸偏压即可关闭的电阻。



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