GaN， “镓”驭全功率 ——高压大功率应用，氮化镓前景可期

功率半导体领域已有很多年未发生系统性技术变革，目前热门的宽禁带（WBG）功率器件已经开始占据自己所“擅长”的市场领域——氮化镓（GaN）功率器件应用从快充起步已获得显著的商业化进展，EV的逆变器则率先采用了碳化硅（SiC）。

然而，近年来GaN向“全功率”市场的扩展，预示电力电子应用市场将不再“风平浪静”，有迹象表明，氮化镓有望改写功率半导体领域的竞争格局。

功率器件市场的结构性重塑

Yole 2023年的统计预测显示（图1），未来五年内功率器件市场规模将从209亿美元扩大到333亿美元，目前仍主导市场的传统MOSFET和IGBT器件的市场占比同期大幅下降，而SiC和GaN功率器件市场份额有望在2028年即达到三成。

图1：SiC和GaN功率器件市场份额将在2028年达到30% （资料来源：Yole 2023）

电力电子应用看好宽禁带化合物半导体功率器件，是因为基于GaN或者SiC的开关电源损耗小、工作频率高，在功率密度、可靠性和降低（系统）成本等方面有着明显优势。这些优势得益于材料的诸多特性，如更宽的带隙、高临界场强、更高的电子迁移率。基于这类材料的功率器件，导通电阻能做到很小，并能够工作在更高的电压下——相比之下，传统硅基器件则达到了性能极限。

Omdia对功率器件应用市场构成进行的分析表明，高压大功率应用市值占80%以上，包括工业、汽车、计算与存储等领域（图2）。其中，混合/纯电动汽车(HEV/EV）很可能是这场竞争的主竞技场，这不仅因为纯电动汽车的“硅含量”是内燃机车的2.5倍，而且2027年全球电动汽车的销量将超过燃油车（Omdia 2024）。

图2：高压大功率应用占功率器件市值80%以上（资料来源：Omdia 2024）

如果我们进一步分析，会有一些更有价值的发现。The Information Network的统计数据显示，GaN市场增速高于SiC——2021-2025年期间，GaN的复合年均增长率达到53.2%，超过碳化硅的42.5%。同时，从Yole 2024 Q1预测中（图3）也可明显看出，GaN复合增长趋势明显强于SiC市场。GaN功率半导体器件市场5年内达到24亿美元，而在GaN市场份额变化中，汽车与出行市场（Automotive & Mobility）“从无到有”，增幅最为抢眼。相比之下，SiC市场格局将无大的变动，汽车市场应用占主要份额。

图3：GaN在汽车与出行市场实现 “从无到有”（资料来源：Yole Q1 2024）

不难看出，功率器件市场未来几年结构性的重塑，将是一场GaN与SiC的PK。GaN对阵SiC，这场拉锯战如何发展，将取决于技术路线和赛道的选择能否更精准锁定市场的需求，以及技术的发展是否能够与这样的市场机遇相契合。

GaN的技术优势

众所周知，半导体功率器件在功率转换应用中充当开关电源——处于“关断”状态阻断电流，即使在施加的电压很高时也是如此；处于“导通”状态时，对电流的流动阻力要非常小。因此，功率半导体材料需要具有高击穿电场和高电荷迁移率。电力电子领域，GaN和SiC取代硅基电子器件，正是由于它们在这些方面比硅材料性质更大的优势。

GaN 和 SiC 都属于所谓的宽带隙半导体，带隙越宽，原子之间的键越牢固，击穿电压就越高。GaN 的带隙为3.39 eV，硅的带隙只有1.12 eV，SiC带隙则为 3.26 eV。宽禁带半导体能够更好地支持高压应用。

材料的电子迁移率越大，相同电场强度下电子的速度越高，每个电子携带的电流就越大。硅的电子迁移率为 1500 cm2/ V•s， SiC只有800 cm2/ V•s，而GaN的电子迁移率高达2200 cm2/ V•s左右，这意味着电子通过GaN要比SiC快得多。

图4：与硅材料相比，SiC和GaN的材料特性更具优势，能够使功率器件具有高的击穿电压和低的导通电阻（Ron）

凭借如此高的电子迁移率，在实际应中，GaN可以获得高电流，与 Si 或 SiC 相比，开通或关断GaN所需要的电荷更少，也就是说，减少了每个开关周期所需的能量，有助于提高效率。同时，GaN 的高电子迁移率允许开关速度达到大约 50 V/ns，该特性使得基于 GaN晶体管的功率转换器可以在数百 kHz 的频率下高效运行，而基于硅或 SiC 的功率转换器的频率约为 100 kHz。

高效率和高频率使得基于 GaN 器件的功率转换器物理尺寸非常小，且重量轻。高效率意味着可以采用更小的散热装置，而在高频下运行则意味着电感器和电容器也可以非常小，大大降低整体的系统成本。

GaN技术路线的选择

当然，如果你选定了GaN技术，并想在最终的应用中充分发挥出其技术优势，选择合适的技术路线也很重要。具体来讲，也就是增强型（E-mode）和耗尽型（D-mode）这两条技术路线的选择。

GaN晶体管的成功很大程度上归功于一个关键的自然现象：2DEG沟道。2DEG是在GaN和AlGaN薄层界面处自发形成极其快速的导电通道。其自发存在的电子浓度是半导体材料中可达到的最高之一。除此之外，它还可提供两倍于最先进的硅基或碳化硅晶体管的电子迁移率——高达2000cm2/V∙s。我们可以将二维电子气 (2DEG) 看作GaN材料中来自大自然馈赠。

图5：氮化镓功率晶体管之完善体现— D-Mode AIGaN/GaN高电子迁移率晶体管（HEMT）

得益于GaN材料的本性，在AlGaN/GaN界面处会自发形成2DEG沟道，而无需外部施加栅极电压。这意味着器件是常开型的，若想要耗尽沟道电子从而关闭它则需要给栅极加负偏压——这就是耗尽型器件。每一个GaN功率器件都源自耗尽型器件。然而，电力电子系统往往需要常闭型器件来实现故障安全操作。

按照栅极特性差异，GaN功率器件被分为常开的耗尽型（D-mode）和常关的增强型（E-mode）两种类型。由于常开的D-mode GaN本身无法直接使用，需要通过增加外围元器件的方式，将D-mode GaN从常开型变为常关型。

级联型D-mode GaN通过利用低压Si MOSFET的开关带动整体的开关，从而将常开型变为常关型，从而以一种纯原生、高性能的形式来利用氮化镓。在Normally-off D-mode技术中，氮化镓HEMT的结构不变从而保持它的高性能及可靠性。在自然状态下，2DEG沟道可不受束缚地最大化其无与伦比的高迁移率和电荷密度组合。Transphorm的Normally-off D-mode解决方案是将氮化镓HEMT与低电压常关型硅基MOSFET结合来实现常闭型操作。该解决方案根据功率等级、拓扑结构及系统框架可提供2.5伏至4.0伏的正阈值电压。

不同于级联型 D-mode GaN通过级联低压Si MOSFET来实现常关型，E-mode GaN直接对栅极进行p型掺杂来修改能带结构，选择控制HEMT内部的2DEG，改变栅极的导通阈值，从而实现常关型器件，但氮化镓的部分天然优势就会受到负面影响。比如，dV/dt较高时解决方案的栅极对过电压损坏和偶发性导通敏感，以及电阻温度系数和动态阈值增加约30%，导致每个开关周期的动态导通电阻增加30%。对于低功率适配器，增强型是可以接受的。但是随着功率水平提高和增强型饱和电流随温度降低，这时候要求的是并联，最终会降低系统的密度、性能和可靠性而增加其成本，更不用说增强型的制造还比较困难。

图6：较高的薄层电阻是由于为实现关断沟道而导致较低的沟道电子浓度

在更高功率的应用中，客户均想方设法降低成本、降低功耗、并提高器件的长期可靠性，以获得竞争优势，而E-mode类型GaN受到基础物理因素的限制，性能下降，可靠性上也会有所折中，因此这种类型的GaN器件主要为低功率应用。Transphorm近期发布的技术白皮书介绍，用DmodeGaN替换一款市售电源设配器中的增强型 GaN，不仅实现了更好的效率，而且将机壳温度降低了50%。

此外，D-mode GaN常闭平台非常适合各种标准封装，例如通孔、表贴、多芯片模块等，这些封装本身具有高性能和高可靠性，增加了氮化镓平台本身的性能和可靠性。

值得一提的是，级联型D-mode GaN是通过利用低压Si MOSFET的开关带动整体的开关，尽管驱动电路和Si MOSFET相同，但由于级联架构的D-mode GaN的开关频率和速度远高于传统的Si MOSFET，所以要求驱动IC能够在很高的dv/dt环境下正常工作。

抓住市场机遇，“镓”驭全功率

目前，在大功率转换领域，SiC技术居于领先地位，一个原因是因为SiC 器件通常具有比 GaN 器件更小的芯片尺寸。不过，SiC 的衬底、外延和制造成本高于 GaN，这也为GaN提供了机会。

当然，要使 GaN 能够适用于SiC目前工作的更高电压的大功率应用，它必须具有额定电压为 1200V的成本效益型高性能器件。毕竟，在该电压下已经有可用的 SiC 晶体管。

目前，Transphorm已经推出了额定电压为 900 V的GaN晶体管，而且最近，Transphorm还展示了在蓝宝石衬底上制造的1200V GaN 器件，其电气和热性能均与 SiC 器件旗鼓相当。未来的趋势很可能有利于 GaN——由于GaN外延和蓝宝石衬底的成本降低，2025 年第一代 1200V GaN 晶体管的价格将低于SiC同类产品。而且，在这些高压器件中，GaN较高的内在电子迁移特性仍会得以保留，这也就意味着其仍具有开关速度比SiC快的优势仍在，这显然有助于打造更轻、更小的产品和方案。

GaN技术不断地优化，及其向高压大功率应用的延伸，显然会带来更大的市场空间。

首先，在EV 逆变器应用中，GaN更高的开关速度具有极大的优势。这是因为EV逆变器开关采用所谓的“硬开关”技术，器件从导通到关断，没有使用复杂的方法为开关操作定时（这被称为谐振开关）以尽量减少损耗。在硬开关式器件中，提高性能的方法就是快速地切换导通和关断状态，以最大限度地减少器件，在器件保持高电压和高传导电流的同时，缩短切换时间，降低损耗。这一应用场景，非常有利于发挥GaN的独特优势。

其次，除了逆变器，电动汽车中其他大多功率应用也可以从GaN的技术优势中获益，例如：车载充电器、DC-DC转换器、辅助逆变器以及传动系逆变器等等。有研究数据表明，电动汽车应用中采用SiC，比传统硅基器件优化了30%，GaN“上车”，其高频、高效、和双向转换功能等优势，可为汽车应用再带来额外20%的优化，把系统做得更小、更轻、更高效，运行起来的温度更低。

太阳能微型逆变器也是GaN高压大功率应用的一个目标市场。在分布式电网装置中，为每个独立的太阳能电池板配置一个微型逆变器，然后在为房屋供电或为电网供电之前再将交流电“组合”起来，已经成为了未来的技术趋势。GaN器件带来的小型化和经济性，恰好能够满足这一新的设计需求。

此外，在数据中心等高性能计算领域中，GaN也会找到更大的舞台。在一个3kVA数据中心UPS设计改造案例中，一家基于GaN的方案胜出，使用该公司GaN器件的80Plus钛金级不间断电源，功率密度增加了250%，尺寸缩小2.5倍，同时还降低了冷却要求，满足该数据中心功率扩展目标，帮助客户降低了系统运营成本。应对全球气候变暖，市场对能效的法规要求会不断提高，在数据中心、人工智能（AI）、高算力应用领域，GaN有着巨大的发挥空间。

在手机、平板电脑和笔记本电脑充电器和墙插充电器领域，GaN的高开关速度及其较低的成本，正在成为低功率市场的主导。GaN功率转换器具有高达300kHz的开关频率和超过92%的效率，功率密度记可高达30W/in3，是正在被取代的硅基充电器功率密度的两倍。在这些市场中，DmodeGaN的易设计性和稳健的供应链也至关重要。

在功率半导体领域，不同技术的竞逐日趋激烈，为目标应用选择一款理想的器件需要考虑诸多方面的因素。

第一，效率更高、性能更好无疑是首要条件。无论是Si/IGBT、SiC、还是不同架构的GaN技术，都面临这些市场应用带来的挑战——降低成本，将终端做得更小，让产品更可靠，设计更容易，并能够跟上市场未来发展需求。

第二，降低综合系统成本，才能获得市场青睐。选择功率半导体，不仅需要考虑如何减少外围电路器件数量，降低系统冷却要求，从而将系统做得更小，效率更高；而且，还要考虑器件技术可制造性、供应链稳定性、商业模式的瓶颈等诸多商业因素带来的隐形市场成本。

第三，产品设计灵活性也是一个重要因素。在快充市场， D-mode GaN能够为设计人员提供便捷的可设计性和可驱动性，使用硅基设计中的控制和驱动电路。

值得关注的是，随着时间的推移以及技术的发展，GaN性能较高、材料和制造成本较低、产率较高等特点将逐渐被更广泛的市场所认知，在“镓”驭全功率应用方面的优势也越发突出。