利用寬能隙半導體提高電源效率

作者 : Maurizio Di Paolo Emilio,EE Times Europe編輯暨EEWeb主編

隨著市場不斷追求更大功率的元件,整個產業逐漸從矽轉向更適合功率應用的寬能隙(WBG)半導體材料。相較於結晶(crystalline)矽,WBG半導體能夠在更高的開關頻率下工作,同時將損耗保持在可控水準。

效率是推動工業市場(包括消費性市場)發展的動力。效率低下會影響電子系統的性能並縮短其使用壽命。為了提高效率,業界朝著更高的功率密度發展,使產品可能變得更小、更輕、更可靠,消除了性能的限制,並提高了資料中心和車輛系統的功率水準。

此外,隨著連網裝置的數量與日俱增,更高效的功率轉換可以降低為數十億台產品供電的總體帳務成本。而且,由於設備數量龐大,提高整體效率也變得同樣重要,因為能減少對環境的影響。

損耗是功率轉換所特有的,減小損耗反過來又會降低效率,並增加系統散熱負擔。發熱對半導體元件尤其有害,從電子設備中散去多餘的熱量會增加成本,並對環境造成危害。這驅使業界不斷研發更高效的半導體元件,以提高功率轉換效率、改善功率密度、降低電源管理的總體成本並減小對環境的影響。

傳統的功率半導體一直採用矽基板。然而,雖然矽是一種出色的通用半導體,但在高壓時卻受到很大限制。隨著市場不斷追求更大功率的元件,整個產業逐漸從矽轉向更適合功率應用的寬能隙(WBG)半導體材料。相較於結晶(crystalline)矽,WBG半導體能夠在更高的開關頻率下工作,同時將損耗保持在可控水準。

電晶體是微電子產業的基礎,建構電晶體的基板決定了其行為表徵,也因此決定了其特性和功能。電晶體本質上是一個壓控開關,所需的功率越大,尺寸就越大。使用WBG材料可以解決這一問題。由碳化矽(SiC)或氮化鎵(GaN)等WBG材料製成的電晶體,目前在電動車和替代能源系統的電源系統中大受歡迎。

不過,目前WBG晶圓的供應鏈仍在最佳化中,它還不像矽晶圓那樣擁有龐大的基礎設施和成熟的供應鏈。批量生產需要穩健及經過檢驗的製程,這帶來了挑戰,包括WBG晶圓測試的挑戰,因為需要對工作於更高電流和電壓下且體積更小的設備進行測試。


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要在這樣的挑戰下提高效率,業界需要的基板必須既能繼續利用矽的規模經濟效益,又能利用WBG半導體的優良性能。目前最新且前景最好的半導體材料是GaN,可在各種基板材料上製成高電子遷移率電晶體(HEMT)磊晶電晶體(epitaxial transistor),適合RF、微波和毫米波(mmWave)應用中的高性能元件。GaN技術有兩種形式:矽基GaN和GaN-on-SiC。

GaN-on-SiC主要適合航太和軍用雷達應用,RF工程師還在繼續探索GaN-on-SiC的其他應用領域和解決方案。矽基GaN則促進了低成本大直徑基板的成長,讓高產量的矽晶圓廠可生產這些元件。

矽基GaN功率電晶體比傳統的矽功率電晶體效率更高,部分原因是轉換器拓撲和技術的需要。峰值電流與反向恢復電荷有關,矽功率電晶體中的反向恢復電荷可能很大,因此不能用於具有重複反向恢復特性的轉換拓撲,包括半橋拓撲。而GaN具有零反向恢復電荷,可用於以前沒考慮過的電源拓撲。現在,正是新啟用的拓撲與新的GaN技術結合起來,才使設計人員實現了更高的電源性能。

矽基GaN基板提供了高整合度,可在單個基板上整合低雜訊放大器(LNA)、開關和功率放大器(PA),降低了成本,從而激起業界對矽基GaN的極大興趣。高整合度雖然具有優勢,但首先還是需要使應用中高度互連的大功率終端具有連線性,圖1顯示了GaN-on-SiC在不同領域的應用。

 

圖1:GaN市場演變。

(資料來源:Yole Développement)

參數

儘管未來多年內矽半導體仍將是主流解決方案,但在某些應用中,客戶卻可以利用WBG半導體的優良特性,包括改善的能隙寬度(eV)、擊穿場強度(MV/cm)、熱導率(W/cm-K)、電子遷移率(cm2/V-s)和電子漂移速度。無需從細節上進一步探討半導體的物理特性,更好的參數性能便足以說明WBG半導體適合高壓、高開關頻率應用,同時還可以提高功率密度和散熱能力。

WBG半導體功率開關的主要優點包括更高的電流密度、更快的開關速度和更低的汲極-源極導通電阻(RDS(on)),對最終客戶來說,使整個系統性能得到了極大的改善。在實際應用中,客戶的設備可以在高溫下工作,系統的整體尺寸減小了,重量也降低了。

消費性市場趨勢

說到GaN的實際應用,無線充電無疑是最熱門的一個領域,在手機無線充電不斷普及的同時,GaN使工業客戶也可以利用該技術的優勢。GaN在高頻下明顯表現出優於矽的優勢,矽通常適合較低功率的應用,但隨著應用需求增加到數十瓦甚至千瓦等級,效率變得越來越重要。更高的開關頻率不僅可提高效率,還具有其他優勢,可使客戶受益。

消費性市場期待手機提供新功能,同時也要求手機具有更高的性能。高速資料傳輸、更大和更高品質的螢幕、臉部辨識功能,以及5G規格,都需要新的電源管理解決方案。新的功能需要性能更高或容量更大的電池,容量更大的電池則意味著充電時間更長。新的電源解決方案減小了可攜式裝置的外形尺寸,市面上還出現了可以快速為手機充電的新充電解決方案。

 

圖2:GaN快速充電發展趨勢。

(資料來源:Yole Développement)

 

目前的電池需要至少兩個小時才能充滿電,用戶希望能夠縮短手機充電時間,這推動新電源解決方案(15W~100W)進入市場。GaN在其中發揮了重要作用,它能夠實現更高的功率,相較其他解決方案,為設備充電用時更短。

Yole D?veloppement技術和市場分析師Ezgi Dogmus表示,「中國OEM OPPO在2019年推出了業內首個採用GaN元件的快速充電器,從那時起,這個市場的吸引力越來越大。在中國較有影響力的另一家OEM小米最近也推出了基於GaN的快速充電器。」

圖3:Yole在2019年即預見GaN大功率快速充電將快速發展。

(資料來源:Yole Développement)

 

「至於其他OEM大廠,三星(Samsung)已將GaN元件整合到其快速充電器中,據瞭解可能很快就會將GaN整合到內建充電器中。」Dogmus補充,「也有傳言稱蘋果(Apple)和華為(Huawei)的下一代快速充電器採用了GaN。我們認為,在接下來的幾個季度中,隨著官方的宣布,我們將有一個更清晰的想法,但是可以說GaN確實具有巨大的吸引力。」

矽的應用仍然很廣泛,特別是在30W以下的應用中。矽解決方案也仍然可以滿足30~100W應用領域的需求,但GaN可提供更高的效率、更快速的充電,同時還具有熱管理和設計優勢,競爭力日益增強。

「OEM都想要體積小的快速充電器,因為為手機配一個大充電器會影響美感。」Dogmus說,「利用GaN就可以做到這一點。」

Yole預期不只是中國的OEM,三星和蘋果也會大量採用GaN。Dogmus說:「據我們所知,GaN製造商Power Integrations已宣佈將為三星即將推出的充電器提供IC解決方案。」智慧型手機市場比其他任何消費市場都大得多,由於GaN非常適用於智慧型手機充電器,隨著價格的下降,其銷量將穩步程長。

Dogmus認為:「所有OEM都在試探市場對GaN產品的接受程度,同時進一步降低GaN產品的成本。因此,2020年和2021年將是GaN基功率元件的關鍵年。」

寄生電感會限制矽元件和更早的離散GaN電路的開關速度,整合是最大程度地減少延遲並消除寄生電感的關鍵。當傳播延遲低至5ns、穩健的dv/dt高達200V/ns時,傳統的65~100kHz轉換器設計可以加速至MHz甚至更高。這些IC可以將返馳式、半橋式、諧振式及其他傳統拓撲的性能擴展至MHz,從而實現革命性項目的商業化應用(圖2~圖5)。

 

圖4:功率與頻率的關係。

(資料來源:Yole Développement)

 

車用

最有趣及成長最快的一個應用是電動車(EV)非車載充電(off-board charging,亦稱為車外充電),其中包括快速充電器和充電站,SiC為這一應用增值不少。

在電動車和混合動力車(HEV)這兩種應用中,SiC和GaN實現了最好的經濟效益,因為SiC和GaN元件可以在更高的電壓和溫度下工作、更耐用、壽命更長,開關速度也比傳統半導體元件快得多。SiC已被多種應用所採納,特別是在電動車中,可以應對高效率及大功率元件所面臨的能源和成本挑戰。

SiC在特斯拉逆變器中發揮了重要作用,在所有的電動車高壓解決方案中也都一樣。Yole指出,在車載充電器應用市場,SiC和GaN解決方案互相競爭,哪種方案更好取決於各OEM的成本/性能策略。

「幾乎所有OEM都在關注SiC和GaN,沒有人不在乎這兩種技術,」Dogmus說,「這關係到成本與合格認證。也許從這個角度來說,SiC要稍微成熟一些,因為它已經通過了汽車產業認證,並且已經開始用在特斯拉和比亞迪(BYD)等一些車款的主逆變器和車載充電器中。」

同時,諸如Efficient Power Conversion (EPC)和Transform等GaN供應商也為汽車產業提供了合格產品,包括適於電動車/混合動力車應用的低壓和高壓技術。另外,Nexperia等其他公司也透過一些新的解決方案投入該市場。

Dogmus說:「未來一年,我們會看到越來越多通過認證的GaN合格產品,並在成本和性能方面與SiC一較高下。」

 

圖5:功率GaN市場。

(資料來源:Yole Développement)

 

本文同步刊登於《電子技術設計》雜誌2020年11月號

(參考原文:Markets Turn to Wide-Bandgap Semiconductors to Increase Power Efficiency,by Maurizio Di Paolo Emilio)

 

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