【导读】日前，PI公布其PowiGaN氮化镓技能额定电压已经晋升至2200V，再一次刷新了商用氮化镓的耐压记载。该技能标记着GaN（氮化镓）进入了更高耐压程度，也标记着GaN正于将运用规模扩大到了传统上由SiC（碳化硅）主导的范畴。“电压越高，咱们看到的竞争敌手就越少。”PI首席技能培训师Jason Yan说道，“咱们此刻不是同GaN厂商竞争，而是于跟SiC竞争。”

2200V的新市场入场券

Yole Group授与了PI 2200V产物高度评价，化合物半导体技能与市场阐发师Roy Dagher博士指出：“以往受电压规格限定，氮化镓器件较少运用在主功率变换运用，该场景多采用碳化硅方案。2200V电压等级的氮化镓技能可为主功率级单级拓扑设计提供足够裕量，适配行业正于推进的1500V数据中央与新能源汽车硬件设计。联合行业测算，功率氮化镓器件市场范围估计将在2031年到达35亿美元，高压等级氮化镓技能的落地运用，将成为行业范围增加的主要鞭策力。”

按照PI给出的指引，2200V GaN拥有跨越10亿美元以上的市场时机，这对于在PI而言是主要的市场远景。按照近来的财报显示，工业及汽车营业营收同比增加10%，环比增加14%，彰显了快速成长的机缘。

Jason列出了2200V高压GaN的几个主要预期市场，包括1500VDC母线的数据中央、1500V车用1MW充电器、1200V车规辅助电源、1500V光伏与储能以和高压直流输电辅助电源等市场，于这些市场中，以往都是高压SiC或者者IGBT所占领。

“高压GaN代替SiC的逻辑不只是成本。”Jason认为，GaN的价值远不云云，而是高频高效率带来的体系级上风。

起首，是更优的开关机能指标（FOM）。于反向恢复、开关能量、开关速率以和死区时间损耗等方面，GaN相较SiC具备必然上风。

其次，是更好的热漫衍能力。跟着频率和效率的提高，发烧天然会降低，这可以有用改善体系的热治理。

第三，是更高的体系功率密度。因为这种变换器可以或许采用更高的开关频率，是以可以显著缩小体系中的无源器件及散热器尺寸，从而晋升总体体系密度。

第四，是更低的体系成本。这不仅包括经由过程采用外貌贴装器件降低制造成本，还有包括显著削减电磁滋扰（EMI）相干器件、缩小磁性滤波器尺寸，并降低散热体系成本。

第五，是高靠得住性。于反激电源中，功率开关蒙受的不只是输入母线电压，还有包括由变压器副边反射回原边的电压以和漏感尖峰。是以跟着母线电压及低压输出电压提高，器件所需耐压会较着高在母线自己，高耐压器件可以或许为这些瞬态留下更年夜的设计裕量。

值患上留意的是，这次PI仅仅发布了2200V高耐压GaN技能，还没有推出任何产物，但PI也给出了开关验证明验数据。2200V PowiGaN关断态击穿电压 4kV，另有2000V电压裕量，别的，初次展示了于峰值电压跨越1500V前提下的持续开关运行跨越20小时，RDSon没有变化，也验证了产物的不变温升特征。

关在将来的产物，PI并无给出过量的吐露，只是暗示将合用在差别的功率规模、拓扑架构以和集成度选项，这象征着2200V产物还有碰面临四年夜挑战。

起首是功率等级。今朝PI主做辅助电源等小功率运用，假如将来产物从几十瓦扩大到1kW、3kW甚至更高功率，器件的电流、热设计及封装前提城市发生变化，需要从头验证。

第二个是拓扑。辅助电源可能采用flyback，而主电源可能采用LLC等拓扑。差别拓扑下，器件蒙受的电压、电流及开关应力差别。

第三个是集成度。将来PI可能既有高度集成的产物，也可能推出集成度较低、给客户留下更年夜设计自由度的器件。

第四则依然是靠得住度验证，只管今朝PI已经经做了一些验证，但间隔高压量产验证还有差患上远。不外按照Jason的说法，2018年以来，基在PowiGaN技能的功率转换IC出货量已经跨越2亿颗，FIT 1，是值患上相信的互助伙伴。

PI的立异产物哲学

Jason也坦言，对于在高压的电力电子装备而言，对于在靠得住性的要求极高，其实不勇于测验考试新的技能，究竟一个体系由于一个小器件而毁坏会影响产物诺言。“但总有第一个要试的。”Jason说道，“今朝2200V Gan有些适度超前，但这有助在连结PI领先职位地方，总要有一个标杆，连续给竞争敌手压力，总会有客户愿意测验考试立异，从而得到竞争上风。”

PI把这一思绪称为“future-proofing”：今天先把技能能力预备好，当客户将来最先设计更高电压的平台时，器件已经经具有响应前提，让客户有更多选择。

假如把Power Integrations这些年的GaN线路拉长来看，2200V其实不是一次忽然的技能冒进。

PI一直有一种很光鲜的产物哲学：真正有价值的立异，不是把市场现有产物机能提高一点，而是提早几年预备客户将来才会需要的能力，多年以来，PI的PowiGaN以和Fluxlink断绝等多项技能，恰是这类思绪最集中的表现之一。

于许多功率半导体公司的传统划分中，GaN持久重要集中于650V四周的高频电源，继承向1200V、1700V甚至更高电压扩大之后，SiC凡是成为更天然的选择。

PI却很早就最先挑战这条界限。从900V PowiGaN最先，PI就已经经较着走出了传统650V GaN的主流区间。随后是1250V、1700V，如今又进一步来到2200V。

这几个电压节点其实不是相互伶仃的产物进级，而是一条很是持续的高压线路：900V最先冲破传统GaN耐压界限，1250V进入1200V级宽禁带市场，1700V进一步进入SiC持久盘踞上风的高压区域，而2200V一会儿领先敌手至少两代。

一直以来，PI就坚信GaN要逾越SiC这一愿景，于PI的看法中，100KW之内市场都将是GaN的主力标的目的。

愈来愈多的1kW至10kW运用将可以经由过程氮化镓患上以实现（而这些运用之前都是MOSFET及碳化硅的全国），并且不会止步在此。今朝，氮化镓的功率规模上限约为7-10kW，这还有不足以满意电动汽车逆变器市场（潜于市场范围最年夜的单一功率IC运用）的需求，但只需再提高10倍，电动汽车的功率程度就能到达几百千瓦，而于高科技范畴到达10倍的功率程度只需几年时间。

横向氮化镓也能做2200V

从器件布局看，垂直GaN自然更易向高压扩大。横向GaN需要经由过程拉长栅漏间距来分离更高的电场，耐压提高往往陪同芯单方面积及导通电阻上升。垂直GaN则可以使用芯片厚度标的目的的漂移区负担高压，使耐压重要沿纵向扩大，而电流能力重要经由过程芯单方面积扩大。是以跟着电压进入千伏级，垂直布局凡是被认为更合适继承向高压、高功率成长。

只管PI此前收购了垂直氮化镓公司Odyssey，但截至今朝，PI仍旧采用横向GaN，其实不断冲破耐压极限。Jason暗示，PI经由过程专用的蓝宝石衬底，自己具备很高的绝缘性，于横向高压器件中，衬底不介入导电，可以降低经由衬底形成高压泄电路径的可能性，为器件进一步提高阻断电压创造前提。比拟在更风行的GaN-on-Si技能中，跨越900V之后需要愈来愈厚的缓冲层，工艺难度及成本将显著增长。

这类思绪也及PI非凡的制造模式有关。PI其实不拥有完备的晶圆制造系统，但也不是简朴地从Foundry采办一套尺度工艺出产产物。PI的年夜量功率器件依靠自有器件布局、自界说工艺Recipe及持久堆集的工艺Know-how，晶圆制造虽然交给互助伙伴，但现实运行的是针对于PI产物开发的专用工艺，部门要害出产装备甚至也由PI把握。

某种水平上，这是一个“Fabless，却深度节制器件及工艺”的模式。假如仅仅是通用产物，PI没法与IDM们竞争，也正是以PI一直缭绕高集成方案举行开发，而对于在GaN功率器件而言，更高耐压的产物也是其差异化的专注点。

须生常谈的D-Mode与E-Mode

Jason先容道，PI采用了共源共栅（Cascode）D-mode架构，极年夜晋升了不变性。

谈到D-Mode与E-Mode之争，还有是要回归到GaN HEMT自己。AlGaN及GaN形成异质结之后，因为质料极化效应，可以于界面形成高密度2DEG。这是一条电子迁徙率很高的导电沟道，也是GaN可以或许实现低电阻、高速开关的基础。

但于最原始的GaN HEMT中，这条2DEG于没有栅极驱动的环境下已经经存于。此时VGS=0，象征着器件已经经导通，这就是Depletion Mode（耗尽型器件），属在常开型器件。

然而功率电子体系的非凡性，就于在功率管需要默许处在封闭状况，于驱动器没有事情、体系失电或者者发生妨碍。是以，财产界终极走出了两条差别的常关线路。

第一种是较为常见的E-mode，经由过程分外的p-GaN Gate转变Gate下方的2DEG，于VGS=0时把沟道耗尽，此时需要施加正Gate电压之后才从头导通。

别的一种则是经由过程级联（共源共栅）的节制方式，经由过程增长MOSFET，使D-mode实现了常关。二者都是今朝较为成熟的技能线路，且都有持久的成长线路图计划。

PI的Cascode架构

E-mode与D-mode Cascode代表了两种差别的优化标的目的。E-mode削减了串联硅器件，更合适寻求极低寄生、高频及单片集成；D-mode Cascode则用一颗低压硅MOSFET换取更宽松的驱动窗口、更低的第三象限压降及更靠近传统MOSFET的工程利用体验。跟着GaN向1700V、2200V如许的高压区域扩大，后者的价值最先被进一步放年夜。

第三象限也是Jason着重解说的一点。

对于在半桥运用来讲，凡是有上管及下管。假如采用 Cascode GaN，那末上管及下管均可以利用 Cascode 器件。半桥后面一般毗连电感，而电感电流不克不及发生突变，是以当此中一个开关管关断以后，本来的电流仍旧需要继承流动，这就是续流。

对于在传统功率器件或者者D-Mode的Cascode布局来讲，续流历程中可以经由过程器件中的体二极管成立电畅通路。体二极管导通时，损耗重要取决在它的正向压降。例如，假定二极管正向压降为 0.7V，电流为 1A，那末此时瞬时损耗就是 0.7W。

但E-Mode GaN 的环境差别。今朝市场上的横向 GaN 年夜多采用加强型布局，其第三象限导通特征会遭到栅极关断电压的影响。例如，假定器件于 VGS 为 0V 时，反向导通压降约为 2V；假如采用 -3V 关断，那末反向导通压降可能上升到约 5V。也就是说，E-Mode GaN 的关断驱动电压会影响其反向导通压降。假定此时电流为 1A，5V 的反向导通压降就对于应约 5W 的瞬时损耗。

这类环境重要发生于半桥的死区时间内。所谓死区时间，就是上管及下管都处在关断状况的一小段时间。虽然两个开关管都没有打开，但处在续流状况，假如这一阶段的反向导通压降较高，就会带来较年夜的损耗，死区时间的是非也会影响半桥的总体损耗。

所谓“第三象限”，是按照器件的电压及电流标的目的来界说的。正常导通时，漏源电压及漏极电流都为正，器件事情于第一象限；而于续流历程中，电流标的目的发生反转，从源极流向漏极，同时漏源电压也变为负值，是以电压及电流都位在负标的目的，对于应器件输出特征中的第三象限。

是以，第三象限事情素质上就是功率器件于反向电流前提下的事情状况。于半桥中，它重要呈现于死区时间内，连续时间虽然很短，但因为差别器件的反向导通压降差别，仍旧可能带来较着的损耗差异。

对于在E-Mode GaN，是否采用负压关断需要举行细心衡量。假如不采用负压关断，第三象限的反向导通压降可以降低，但关断裕量也会减小，于高速开关历程中可能增长误导透风险。而采用负压关断可以提高关断靠得住性，但同时会提高第三象限的反向导通压降及死区损耗。

这也是 Cascode GaN 与今朝市场上常见加强型 GaN 于半桥运用中的一个主要区分。

总结

从750V、900V、1250V、1700V一起走到2200V，PI始终挑战高压GaN的无人区，把产物一步步向SiC迫近。

值患上存眷的是，PI实现这条高压线路并无转向垂直GaN，而是继承对峙横向GaN、蓝宝石衬底及D-mode Cascode的技能组合。

如今，GaN拥有了更多与SiC竞争的入场券，而PI的方针也很是明确，其实不只是及SiC打价格战，而是经由过程更多的高功率密度、小尺寸等差异化特征，与SiC睁开体系级竞争。

2200V技能发布只是这场竞争的出发点，将来PI值患上存眷的不只是电压等级记载的刷新，而是产物落地后的市场体现。