【導讀】日前，PI宣布其PowiGaN氮化鎵技術額定電壓已提升至2200V，再一次刷新了商用氮化鎵的耐壓記錄。該技術標志著GaN（氮化鎵）進入了更高耐壓水平，也標志著GaN正在將應用范圍擴展到了傳統上由SiC（碳化硅）主導的領域。“電壓越高，我們看到的競爭對手就越少。”PI首席技術培訓師Jason Yan說道，“我們現在不是同GaN廠商競爭，而是在跟SiC競爭。”
2200V的新市場入場券
Yole Group給與了PI 2200V產品高度評價，化合物半導體技術與市場分析師Roy Dagher博士指出：“以往受電壓規格限制，氮化鎵器件較少應用于主功率變換應用，該場景多采用碳化硅方案。2200V電壓等級的氮化鎵技術可為主功率級單級拓撲設計提供充足裕量，適配行業正在推進的1500V數據中心與新能源汽車硬件設計。結合行業測算，功率氮化鎵器件市場規模預計將于2031年達到35億美元，高壓等級氮化鎵技術的落地應用，將成為行業規模增長的重要推動力。”
根據PI給出的指引，2200V GaN擁有超過10億美元以上的市場機會，這對于PI而言是重要的市場前景。根據最近的財報顯示，工業和汽車業務營收同比增長10%，環比增長14%，彰顯了快速發展的機遇。
Jason列出了2200V高壓GaN的幾個重要預期市場，包括1500VDC母線的數據中心、1500V車用1MW充電器、1200V車規輔助電源、1500V光伏與儲能以及高壓直流輸電輔助電源等市場，在這些市場中，以往都是高壓SiC或者IGBT所占領。
“高壓GaN取代SiC的邏輯不只是成本。”Jason認為，GaN的價值遠不如此，而是高頻高效率帶來的系統級優勢。
首先，是更優的開關性能指標（FOM）。在反向恢復、開關能量、開關速度以及死區時間損耗等方面，GaN相較SiC具有一定優勢。
其次，是更好的熱分布能力。隨著頻率及效率的提高，發熱自然會降低，這可以有效改善系統的熱管理。
第三，是更高的系統功率密度。由于這類變換器能夠采用更高的開關頻率，因此可以顯著縮小系統中的無源器件和散熱器尺寸，從而提升整體系統密度。
第四，是更低的系統成本。這不僅包括通過采用表面貼裝器件降低制造成本，還包括顯著減少電磁干擾（EMI）相關器件、縮小磁性濾波器尺寸，并降低散熱系統成本。
第五，是高可靠性。在反激電源中，功率開關承受的不只是輸入母線電壓，還包括由變壓器副邊反射回原邊的電壓以及漏感尖峰。因此隨著母線電壓和低壓輸出電壓提高，器件所需耐壓會明顯高于母線本身，高耐壓器件能夠為這些瞬態留下更大的設計裕量。
值得注意的是，此次PI僅僅發布了2200V高耐壓GaN技術，尚未推出任何產品，但PI也給出了開關驗證實驗數據。2200V PowiGaN關斷態擊穿電壓>4kV，尚有2000V電壓裕量，另外，首次展示了在峰值電壓超過1500V條件下的連續開關運行超過20小時，RDSon沒有變化，也驗證了產品的穩定溫升特性。
關于未來的產品，PI并沒有給出過多的透露，只是表示將適用于不同的功率范圍、拓撲架構以及集成度選項，這意味著2200V產品還會面臨四大挑戰。
首先是功率等級。目前PI主做輔助電源等小功率應用，如果未來產品從幾十瓦擴展到1kW、3kW甚至更高功率，器件的電流、熱設計和封裝條件都會發生變化，需要重新驗證。
第二個是拓撲。輔助電源可能采用flyback，而主電源可能采用LLC等拓撲。不同拓撲下，器件承受的電壓、電流和開關應力不同。
第三個是集成度。未來PI可能既有高度集成的產品，也可能推出集成度較低、給客戶留下更大設計自由度的器件。
第四則依然是可靠度驗證，盡管目前PI已經做了一些驗證，但距離高壓量產驗證還差得遠。不過根據Jason的說法，2018年以來，基于PowiGaN技術的功率轉換IC出貨量已超過2億顆，FIT<1，是值得信賴的合作伙伴。
PI的創新產品哲學
Jason也坦言，對于高壓的電力電子設備而言，對于可靠性的要求極高，并不敢于嘗試新的技術，畢竟一個系統因為一個小器件而損壞會影響產品信譽。“但總有第一個要試的。”Jason說道，“目前2200V Gan有些適度超前，但這有助于保持PI領先地位，總要有一個標桿，持續給競爭對手壓力，總會有客戶愿意嘗試創新，從而獲得競爭優勢。”
PI把這一思路稱為“future-proofing”：今天先把技術能力準備好，當客戶未來開始設計更高電壓的平臺時，器件已經具備相應條件，讓客戶有更多選擇。
如果把Power Integrations這些年的GaN路線拉長來看，2200V并不是一次突然的技術冒進。
PI一直有一種很鮮明的產品哲學：真正有價值的創新，不是把市場現有產品性能提高一點，而是提前幾年準備客戶未來才會需要的能力，多年以來，PI的PowiGaN以及Fluxlink隔離等多項技術，正是這種思路最集中的體現之一。
在很多功率半導體公司的傳統劃分中，GaN長期主要集中在650V附近的高頻電源，繼續向1200V、1700V甚至更高電壓擴展以后，SiC通常成為更自然的選擇。
PI卻很早就開始挑戰這條邊界。從900V PowiGaN開始，PI就已經明顯走出了傳統650V GaN的主流區間。隨后是1250V、1700V，如今又進一步來到2200V。
這幾個電壓節點并不是彼此孤立的產品升級，而是一條非常連續的高壓路線：900V開始突破傳統GaN耐壓邊界，1250V進入1200V級寬禁帶市場，1700V進一步進入SiC長期占據優勢的高壓區域，而2200V一下子領先對手至少兩代。
一直以來，PI就堅信GaN要超越SiC這一愿景，在PI的見解中，100KW以內市場都將是GaN的主力方向。
越來越多的1kW至10kW應用將可以通過氮化鎵得以實現（而這些應用以前都是MOSFET和碳化硅的天下），而且不會止步于此。目前，氮化鎵的功率范圍上限約為7-10kW，這還不足以滿足電動汽車逆變器市場（潛在市場規模最大的單一功率IC應用）的需求，但只需再提高10倍，電動汽車的功率水平就能達到幾百千瓦，而在高科技領域達到10倍的功率水平只需幾年時間。
橫向氮化鎵也能做2200V
從器件結構看，垂直GaN天然更容易向高壓擴展。橫向GaN需要通過拉長柵漏間距來分散更高的電場，耐壓提高往往伴隨芯片面積和導通電阻上升。垂直GaN則可以利用芯片厚度方向的漂移區承擔高壓，使耐壓主要沿縱向擴展，而電流能力主要通過芯片面積擴展。因此隨著電壓進入千伏級，垂直結構通常被認為更適合繼續向高壓、高功率發展。
盡管PI此前收購了垂直氮化鎵公司Odyssey，但截至目前，PI仍然采用橫向GaN，并不斷突破耐壓極限。Jason表示，PI通過專用的藍寶石襯底，本身具有很高的絕緣性，在橫向高壓器件中，襯底不參與導電，可以降低經由襯底形成高壓漏電路徑的可能性，為器件進一步提高阻斷電壓創造條件。相比于更流行的GaN-on-Si技術中，超過900V以后需要越來越厚的緩沖層，工藝難度和成本將顯著增加。
這種思路也和PI特殊的制造模式有關。PI并不擁有完整的晶圓制造體系，但也不是簡單地從Foundry購買一套標準工藝生產產品。PI的大量功率器件依賴自有器件結構、自定義工藝Recipe和長期積累的工藝Know-how，晶圓制造雖然交給合作伙伴，但實際運行的是針對PI產品開發的專用工藝，部分關鍵生產設備甚至也由PI掌握。
某種程度上，這是一個“Fabless，卻深度控制器件和工藝”的模式。如果僅僅是通用產品，PI無法與IDM們競爭，也正因此PI一直圍繞高集成方案進行開發，而對于GaN功率器件而言，更高耐壓的產品也是其差異化的專注點。
老生常談的D-Mode與E-Mode
Jason介紹道，PI采用了共源共柵（Cascode）D-mode架構，極大提升了穩定性。
談到D-Mode與E-Mode之爭，還是要回歸到GaN HEMT本身。AlGaN和GaN形成異質結以后，由于材料極化效應，可以在界面形成高密度2DEG。這是一條電子遷移率很高的導電溝道，也是GaN能夠實現低電阻、高速開關的基礎。
但在最原始的GaN HEMT中，這條2DEG在沒有柵極驅動的情況下已經存在。此時VGS=0，意味著器件已經導通，這就是Depletion Mode（耗盡型器件），屬于常開型器件。
然而功率電子系統的特殊性，就在于功率管需要默認處于關閉狀態，在驅動器沒有工作、系統掉電或者發生故障。因此，產業界最終走出了兩條不同的常關路線。
第一種是較為常見的E-mode，通過額外的p-GaN Gate改變Gate下方的2DEG，在VGS=0時把溝道耗盡，此時需要施加正Gate電壓以后才重新導通。
另外一種則是通過級聯（共源共柵）的控制方式，通過增加MOSFET，使D-mode實現了常關。兩者都是目前較為成熟的技術路線，且都有長期的發展路線圖規劃。
PI的Cascode架構
E-mode與D-mode Cascode代表了兩種不同的優化方向。E-mode減少了串聯硅器件，更適合追求極低寄生、高頻和單片集成；D-mode Cascode則用一顆低壓硅MOSFET換取更寬松的驅動窗口、更低的第三象限壓降和更接近傳統MOSFET的工程使用體驗。隨著GaN向1700V、2200V這樣的高壓區域擴展，后者的價值開始被進一步放大。
第三象限也是Jason著重講解的一點。
對于半橋應用來說，通常有上管和下管。如果采用 Cascode GaN，那么上管和下管都可以使用 Cascode 器件。半橋后面一般連接電感，而電感電流不能發生突變，因此當其中一個開關管關斷之后，原來的電流仍然需要繼續流動，這就是續流。
對于傳統功率器件或者D-Mode的Cascode結構來說，續流過程中可以通過器件中的體二極管建立電流通路。體二極管導通時，損耗主要取決于它的正向壓降。例如，假設二極管正向壓降為 0.7V，電流為 1A，那么此時瞬時損耗就是 0.7W。
但E-Mode GaN 的情況不同。目前市場上的橫向 GaN 大多采用增強型結構，其第三象限導通特性會受到柵極關斷電壓的影響。例如，假設器件在 VGS 為 0V 時，反向導通壓降約為 2V；如果采用 -3V 關斷，那么反向導通壓降可能上升到約 5V。也就是說，E-Mode GaN 的關斷驅動電壓會影響其反向導通壓降。假設此時電流為 1A，5V 的反向導通壓降就對應約 5W 的瞬時損耗。
這種情況主要發生在半橋的死區時間內。所謂死區時間，就是上管和下管都處于關斷狀態的一小段時間。雖然兩個開關管都沒有打開，但處于續流狀態，如果這一階段的反向導通壓降較高，就會帶來較大的損耗，死區時間的長短也會影響半橋的整體損耗。
所謂“第三象限”，是根據器件的電壓和電流方向來定義的。正常導通時，漏源電壓和漏極電流都為正，器件工作在第一象限；而在續流過程中，電流方向發生反轉，從源極流向漏極，同時漏源電壓也變為負值，因此電壓和電流都位于負方向，對應器件輸出特性中的第三象限。
因此，第三象限工作本質上就是功率器件在反向電流條件下的工作狀態。在半橋中，它主要出現在死區時間內，持續時間雖然很短，但由于不同器件的反向導通壓降不同，仍然可能帶來明顯的損耗差異。
對于E-Mode GaN，是否采用負壓關斷需要進行仔細權衡。如果不采用負壓關斷，第三象限的反向導通壓降可以降低，但關斷裕量也會減小，在高速開關過程中可能增加誤導通風險。而采用負壓關斷可以提高關斷可靠性，但同時會提高第三象限的反向導通壓降和死區損耗。
這也是 Cascode GaN 與目前市場上常見增強型 GaN 在半橋應用中的一個重要區別。
總結
從750V、900V、1250V、1700V一路走到2200V，PI始終挑戰高壓GaN的無人區，把產品一步步向SiC逼近。
值得關注的是，PI實現這條高壓路線并沒有轉向垂直GaN，而是繼續堅持橫向GaN、藍寶石襯底和D-mode Cascode的技術組合。
如今，GaN擁有了更多與SiC競爭的入場券，而PI的目標也非常明確，并不只是和SiC打價格戰，而是通過更多的高功率密度、小尺寸等差異化特性，與SiC展開系統級競爭。
2200V技術發布只是這場競爭的起點，未來PI值得關注的不只是電壓等級記錄的刷新，而是產品落地后的市場表現。
