【導讀】如今，圍繞第三代半導體的研發(fā)和應用日趨火熱。由于具有更大的禁帶寬度、高耐壓、高熱導率、更高的電子飽和速度等特點，第三代半導體材料能夠滿足未來電子產品在高溫、高功率、高壓、高頻等方面更高的要求，被認為是突破傳統硅（Si）器件性能天花板的必由之路。
如今，圍繞第三代半導體的研發(fā)和應用日趨火熱。由于具有更大的禁帶寬度、高耐壓、高熱導率、更高的電子飽和速度等特點，第三代半導體材料能夠滿足未來電子產品在高溫、高功率、高壓、高頻等方面更高的要求，被認為是突破傳統硅（Si）器件性能天花板的必由之路。
氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）并稱為第三代半導體界的“雙雄”。其中，SiC在高耐壓和大電流應用方面優(yōu)勢突出，近年來在新能源汽車、可再生能源等功率電子領域風頭無兩；而GaN則憑借出色的擊穿場強特性和電子飽和速度，提供出色的低導通電阻和高速開關（高頻率工作）性能，在100~600V中等耐壓應用中表現搶眼。
圖1：GaN和SiC功率器件的特性和應用（圖源：ROHM Semiconductor）
日趨火爆的GaN市場
不難看出，由于GaN的應用范圍與傳統的Si基器件有更多的交集，因此其市場前景也更為寬廣，也更容易在Si基器件替代升級中找到切入點。事實也確實如此，2020年之后，隨著在快充適配器中的應用落地，GaN器件成功火出了圈，由此也證明其低導通電阻、高速開關等優(yōu)異特性，在大功率、高效率和小型化的產品設計上具有顯著的競爭優(yōu)勢。
此番在消費領域的成功，也成了GaN器件向工業(yè)和數據中心等應用快速滲透的催化劑，GaN的市場規(guī)模也隨之快速增長。據Yole Group的預測，從2022年到2028年，GaN功率器件市場規(guī)模將從1.849億美元增長至20.4億美元，復合年增長率高達49%。
如此火爆的市場行情，有實力的半導體廠商自然不會錯過，因此近年來GaN領域的“火藥味”也越來越濃。想要在這場競爭中勝出，半導體廠商需要在兩個方面下功夫：
第一，要有性能優(yōu)異的GaN器件，并以此為基點逐漸形成完整的產品系列，覆蓋不同耐壓等級，提供不同的封裝形式，以滿足不斷增長的各類應用所需。
第二，要通過技術創(chuàng)新，不斷降低GaN器件的應用開發(fā)門檻，讓GaN技術能夠更廣泛地在更廣范的應用場景中落地。
在GaN器件領域，ROHM Semiconductor（以下簡稱ROHM）的EcoGaN?系列產品組合，就是一個成功的范例。該系列不僅包括高性能的GaN開關單品，也包括為簡化GaN應用開發(fā)而打造的創(chuàng)新器件，在助力終端產品進一步節(jié)能和小型化方面，為客戶提供價值。
圖2：ROHM EcoGaN? GaN產品標識（圖源：ROHM Semiconductor）
高性能GaN開關單品
GaN HEMT是GaN開關器件的主流架構，它是利用在半導體異質結處感應出的高遷移率二維電子氣體充當通道的場效應晶體管，器件漏極和源極之間的電流高速橫向流過二維電子氣溝道，從而實現出色的開關特性。基于GaN優(yōu)異的物理特性，GaN HEMT的薄漂移層可實現650V的耐壓和很低的導通電阻，以滿足中等功率、中等電壓和高頻應用中，小型化電源系統設計的要求。
圖3：增強型GaN-HEMT的結構（圖源：ROHM Semiconductor）
與其他一些GaN領域的玩家相比，ROHM的GaN HEMT產品似乎出道時間不長，但實際上其背后的技術積淀十分深厚。
早在2006年，ROHM就開始研發(fā)GaN產品，并將為可靠量產LED產品而開發(fā)的基本外延和生長技術，成功應用到了GaN HEMT產品上，解決了基于GaN-on-Si襯底的高質量GaN外延層生長的難題。
在2021年，ROHM首先推出了8V柵極-源極額定電壓的150V GaN HEMT器件，成功切入GaN器件市場。緊接著在2022年，又推出了首款耐壓650V的GaN HEMT。憑借其特殊的結構，ROHM將GaN HEMT柵極-源極額定電壓從傳統的6V提高到8V，提升了GaN器件電源電路的設計裕度和可靠性，也確立了其競爭優(yōu)勢。2023年4月，ROHM的650V GaN HEMT實現了量產，至此形成了150V和650V兩大主力分立式GaN開關器件產品系列。
GNP1 EcoGaN? 650V GaN FET是其中代表性的產品，其低導通電阻和高速開關的特性，可大大提高電源轉換效率并減小系統柜尺寸；同時，器件內置的ESD保護功能和出色的散熱性能，也能夠為提升系統可靠性和設計靈活度提供助力。
歸納起來，該GaN HEMT在打造高開關頻率和高密度電源轉換器時，具有三大顯著優(yōu)勢：
. 更快的開關速度：有助于實現快速響應，提高系統整體性能并實現高級功能。
. 更高的耐壓能力：650V額定電壓確保了穩(wěn)健性和彈性，使其成為電源、電機控制和電動汽車系統等中高壓應用的理想之選。
. 增強的可靠性：這些器件采用先進的GaN技術構建，具有更出眾的熱管理性能，有利于提高設備的可靠性并延長使用壽命。
圖4：GNP1 EcoGaN? 650V GaN FET（圖源：ROHM Semiconductor）
解決GaN HEMT柵極驅動痛點
雖然與Si MOSFET相比，GaN HEMT在開關性能上有諸多優(yōu)勢，但是作為一個新型的器件，在實際應用開發(fā)時還是會遇到不少痛點，柵極驅動就是痛點之一。
具體來講，GaN HEMT柵極驅動有兩個主要的挑戰(zhàn)：其一，GaN HEMT的驅動電壓較低（通常為1.5至1.8V），有誤啟動的風險；其二，GaN HEMT的柵極耐壓較低（6V左右），柵極易損壞。因此，需要采用專門優(yōu)化設計的柵極驅動器，與GaN HEMT配合使用，才能實現一個完整的解決方案。
而這個不得不“添加”的柵極驅動器，不但會增加系統BOM的數量和成本，還會因為要考慮寄生分量影響等額外因素，增加設計的復雜性，成為開發(fā)者使用GaN HEMT時的技術門檻。
圖5：GaN HEMT面臨的柵極驅動挑戰(zhàn)（圖源：ROHM Semiconductor）
為了幫助開發(fā)者輕松跨越GaN HEMT柵極驅動這一技術門檻，ROHM結合自己在功率和模擬兩方面的專業(yè)經驗和技術優(yōu)勢，開發(fā)出了集650V GaN HEMT、柵極驅動器和相關外圍元器件于一體的Nano Cap? 650V GaN HEMT功率級IC——BM3G0xxMUV-LB系列產品，在簡化設計、提高開發(fā)效率的同時，更大程度地釋放出GaN HEMT的優(yōu)勢性能。
圖6：Nano Cap? 650V GaN HEMT功率級IC（圖源：ROHM Semiconductor）
圖7：Nano Cap? 650V GaN HEMT功率級IC框圖（圖源：ROHM Semiconductor）
該GaN HEMT功率級IC的核心優(yōu)勢，體現在三個方面：
. 簡化GaN器件系統開發(fā)：將650V GaN HEMT、專用柵極驅動器、新增功能和外圍元器件集成在一體化封裝中，讓GaN器件的應用開發(fā)更輕松。
. 輕松替換Si基解決方案：該功率級IC具有較寬的驅動電壓范圍（2.5~30V），典型啟動時間15μs，傳輸延遲11~15ns，是現有Si基解決方案理想的“平替”。
. 更低的損耗，更小的尺寸：與普通的解決方案相比，該GaN HEMT功率級IC功率損耗降低約20%，所需外置元器件由8個減少為1個，性能提升明顯。
圖8：Nano Cap? 650V GaN HEMT功率級IC的優(yōu)勢（圖源：ROHM Semiconductor）
一句話總結：Nano Cap? 650V GaN HEMT功率級IC能夠滿足功率電子系統在小型化、簡化設計、可靠性、低損耗等方面的諸多需求，大大拉低GaN應用開發(fā)的技術門檻，是工業(yè)設備、電源、橋式拓撲和適配器等應用向第三代半導體技術升級時理想的解決方案。
邁向未來的GaN產品組合
不難看出，在GaN領域ROHM的策略十分清晰：一方面，不斷打造分立GaN開關器件精品，充實產品組合；另一方面，通過功能集成，降低GaN系統應用開發(fā)的難度，加速GaN的規(guī)模化商用。
事實證明，這一策略十分成功；因此面向未來，ROHM還會將這一成功的策略進行到底。
具體來講，在GaN分立器件單品方面，ROHM將不斷擴展現有的兩大主力產品，推出第二/三代150V耐壓產品、采用新型封裝的650V耐壓產品等；而在集成化的創(chuàng)新解決方案上，ROHM計劃2024年量產搭載偽諧振AC-DC電路或功率因數改善電路，以及搭載半橋電路的產品；并計劃在2026年前，陸續(xù)量產將GaN HEMT、柵極驅動IC、控制IC集成在同一封裝中的產品。
圖9：EcoGaNTM GaN產品路線圖（圖源：ROHM Semiconductor）
總之，ROHM正在通過自己的努力，讓GaN器件在功率電子領域更快速地“攻城略地”，終將變得無處不在。
如果你也想在設計中輕松搭載GaN器件，下面這些ROHM的產品和方案，一定不要錯過哦~~
EcoGaN?是通過更大程度地發(fā)揮GaN的性能，助力應用產品進一步節(jié)能和小型化的羅姆GaN器件，該系列產品有助于應用產品進一步降低功耗、實現外圍元器件的小型化、減少設計工時和元器件數量等。
Nano Cap是在ROHM的垂直統合型生產體制下，凝聚“電路設計”、“布局”、“工藝”三大模擬技術優(yōu)勢而實現的超穩(wěn)定控制技術。穩(wěn)定控制解決了模擬電路中電容器相關的穩(wěn)定運行課題，無論是在汽車和工業(yè)設備領域，還是在消費電子設備領域，這項技術都有助于減少各種應用的設計工時。
?EcoGaN? 、Nano Cap?是ROHM Co., Ltd.的商標或注冊商標。
本文轉載自：貿澤電子
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