罗姆EcoGaN™为电源系统的发展打开新的方向

近期在罗姆媒体会上,罗姆半导体(北京)有限公司技术中心总经理水原德健先生深入解析了该公司在氮化镓技术上的突破和公司在该领域的前瞻性产品。着眼于氮化镓的卓越性能、以及现阶段氮化镓使用上的问题,结合罗姆的技术优势,该公司推出了系列EcoGaN™新产品,旨在助力行业实现更小型、更轻便、更高效的电源解决方案。

水原德健先生详细比较了硅、碳化硅和氮化镓三种主要半导体材料的特性,从结构上,硅和碳化硅功率器件通常是MOSFET,而氮化镓功率器件则是HEMT。硅一直占据市场的主导地位,而碳化硅和氮化镓则随着科技的发展崭露头角。在数字化和电气化的时代,功率半导体技术对电源和驱动系统的性能至关重要。相比硅,第三代半导体材料具有禁带宽度更宽、高耐压、热导率、电子饱和速度更高的特点,能够满足现代电子技术对半导体材料提出的高温、高功率、高压、高频要求。而同为第三代半导体,相比碳化硅,氮化镓在高耐压和大工作电流方面具有的更大优势,有望在100~600V中等耐压范围内,凭借其出色的击穿场强和电子饱和速度,实现低导通电阻和高速开关(高频率工作)性能。

罗姆EcoGaN™为电源系统的发展打开新的方向

硅、碳化硅和氮化镓的特性随之清晰,应用市场也有了区分,硅可应用在普通的市场,碳化硅可以应用到更高压的市场,而氮化镓则更多应用到更高频的市场。

从下图可见,碳化硅以大功率、高频率特点应用在EV市场,包括逆变器、DC-DC、OBC、服务器电源(一次侧)、太阳能、风能等方面。而氮化镓虽然功率不是特别大,但对应频率会更高,可以用200kHz以上的高频,适用于数据中心服务器电源、基站电源、小型AC适配器、车载OBC、48V DC-DC等。

罗姆EcoGaN™为电源系统的发展打开新的方向

EcoGaN™系列攻克氮化镓应用上的难题

氮化镓技术的拥有者也从很少的几家逐渐扩大,罗姆半导体是其中之一,该公司不仅看到了氮化镓的优势,同时在市场开始升温的时候也看到了其问题所在。比如,在栅极到源极间额定电压低,封装起来比较困难。如下图,GaN HEMT是5V电压,而普通GaN产品是6V, 中间的裕量仅有1V,这便对产品的可靠性带来一定的影响,解决这一问题通常会外加更多的电路,如此不但提高了设计的复杂度同时带来价格上的增加。而罗姆从客户的角度,成功地将栅极-源极额定电压从普通GaN产品的6V提高到8V,提升了GaN器件电源电路的设计裕度和可靠性。用自己独特的技术实现高速开关,可以更大程度地优化电源电路的效率。

罗姆EcoGaN™为电源系统的发展打开新的方向

其代表性产品EcoGaN™系列GNE10xxTB ,150V,40毫欧和8.5毫欧的产品已于2022年3月量产,其650V,GNP10xxTC产品,也在2023年4月量产,该系列拥有70毫欧,150毫欧两款产品。

Power Stage IC:栅极驱动与GaN HEMT一体化封装

此外,罗姆凭借其强大的功率半导体技术和模拟电源技术为基础,借助Nano Pulse ControlTM(超高速脉冲控制技术)等先进技术,还推出Power Stage IC,旨在解决氮化镓技术在高频率开关领域的挑战,推动氮化镓器件性能的进一步提升。这一Power Stage IC的亮点在于将栅极驱动与GaN HEMT一体化封装,为客户提供了更便捷的氮化镓应用方案。以往的电路通常采用硅的MOSFET,其驱动电压为12V,而氮化镓的驱动电压仅为5V。为了解决这一问题,罗姆推出了Power Stage IC,其栅极驱动器能够从12V转到5V,集成在一个紧凑的封装中,使得客户能够直接使用现有电路,极大地简化了评估和设计过程。650V EcoGaNTM (GaN HEMT) Power Stage IC具有三大特点:作为Power Stage电路的IC,轻松安装GaN器件;可替换现有功率半导体电路;降低损耗,助力产品小型化。与普通产品相比,其损耗降低了约55%。同时,采用Power Stage设计,无需大型散热板,有效减小体积,提高效率,实现产品的小型化。

持续研发新产品

今后,随着GaN器件的性能的进一步提高和阵容扩充,罗姆将持续推进用于驱动GaN HEMT的、内置控制器的器件和模块的开发,进一步加强电源解决方案。其中包括,具有低导通电阻和高速开关性能的产品——150V耐压产品(第二/三代);内置驱动器和控制器的GaN模块;650V耐压的新封装(TOLL封装)产品等。

关于前述Power Stage IC产品,罗姆计划2024年量产搭载伪谐振AC-DC电路或功率因数改善电路、以及搭载半桥电路等产品。并且,截至2026年,计划陆续量产将GaN HEMT、栅极驱动IC、控制IC集成在同一封装的产品。罗姆将继续为用户提供各种形式的EcoGaN™解决方案,方便用户更加便捷地搭载GaN器件。

罗姆在氮化镓技术方面的创新,不仅提升了电源和功率半导体领域的性能,也为未来的高效、小型和可靠电源系统的发展打开了新的方向。公司致力于在技术创新、产品全面性和客户解决方案上不断超越,使其成为行业内的领军者,为科技进步和社会发展做出更大贡献。

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