最近，緯湃科技和英飛凌在氮化鎵領域傳來最新進展。緯湃科技將采用英飛凌CoolGaN?晶體管來打造功率密度更高的12V DCDC轉換器。

據(jù)悉，本次緯湃科技基于氮化鎵設計的DCDC為其Gen5系列，采用隔離式半橋拓撲結構，包括一個基于氮化鎵的全橋、一個完全隔離的變壓器和一個適用于各個相的有源整流器。轉換功率為3.6kW，功率密度提升至4.5kW/L。與液冷Gen5系列相比，轉換效率超過96%。開關速度也從100kHz提高至250kHz以上。并且采用被動冷卻方案。因此在提升功率密度的同時，還可以實現(xiàn)成本降低的可能。

采用的氮化鎵產(chǎn)品為英飛凌的CoolGaN?晶體管，電壓等級為650V，采用頂部散熱的TOLT封裝。其他參數(shù)方面，導通電阻為50毫歐，瞬態(tài)漏極至源極電壓為850V，IDS,max和IDSmax,pulse分別為30A和60A。雖然氮化鎵電壓上限為650V，但通過串聯(lián)切換兩個相位的方式，該DCDC可以支持800V平臺的電壓轉換。

英飛凌CoolGaN?

但目前為止，緯湃科技和英飛凌均未進一步透露終端客戶情況。

01.

氮化鎵何時上車

作為第三代半導體的兩個重要分類，氮化鎵在汽車上的應用顯然要比碳化硅要慢的多。

其實早在2010年左右，GaN HEMT就出現(xiàn)在產(chǎn)業(yè)界的視野中。與碳化硅相比，氮化鎵在同等漏源導通電阻情況下，擁有更快的開關能力。也就意味著FOM值表現(xiàn)更好。尤其是在高頻應用中，表現(xiàn)更好。本次緯湃科技氮化鎵DCDC的工作頻率從100kHz提升到250kHz也說明了這一點。

此前上海慕尼黑電子展期間，英飛凌展示其基于氮化鎵開發(fā)的OBCdemo產(chǎn)品，現(xiàn)場的工程師告訴NE時代，采用氮化鎵器件后，功率頻率得以大幅提升，最大可到500kHz。對應的便可以減少變壓器器件的用量，進而降低系統(tǒng)的成本。（詳情可查看NE時代新能源，NE帶您云逛展 英飛凌展臺 第二部分視頻內(nèi)容）。

當然氮化鎵也有自身的局限性。目前主要兩個原因制約了其在汽車上的應用。一是其自身成本，二是功率限制。成本主要來源于技術限制，尤其是上游材料的制備，氮化鎵只能通過氣體反應合成，而粉末氮化鎵只能通過氨氣流中以1000度以上的溫度加熱金屬鎵半小時才能形成。功率限制主要是氮化鎵目前難以實現(xiàn)大尺寸的芯片生產(chǎn)。因此目前氮化鎵在射頻、消費電子等高頻小功率領域應用較多，而在汽車這類大功率要求的的領域則進展緩慢。

此外，在汽車行業(yè)，目前基于氮化鎵的產(chǎn)品還處于研發(fā)階段，此前英飛凌曾表示，氮化鎵大規(guī)模上車預計在2026年左右實現(xiàn)。

02.

哪種方案將會勝出

目前迫切需要解決的是其功率方面的限制，以及合適的驅動芯片。目前的方案主要四種方案。

回到氮化鎵器件的結構本身，下圖是典型的耗盡型氮化鎵HEMT結構?？梢钥闯龅壥菣M向器件，即源級、門級和漏極都在芯片的上表面。

在氮化鎵和AlGaN界面處會形成2DEG通道，電流就從該通道經(jīng)過。由于2DEG通道是自然形成的，因此整個氮化鎵處于常開狀態(tài)，若想要關閉，就需要給柵極施加負電壓，從而耗盡溝道內(nèi)電子。因此稱之為D-mode。

由于耗盡型氮化鎵為常開，但實際工作中要求功率器件常閉。因此就需要將耗盡型氮化鎵優(yōu)化為常閉，目前主要有兩種方案，主要包括級聯(lián)（Cascode）和直驅（Direct Drive）。其中級聯(lián)型的D-mode GaN是通過利用低壓Si MOSFET的開關帶動整體的開關，從而將常開型變?yōu)槌ｊP型。

級聯(lián)型D-mode，圖源：納芯微

級聯(lián)型D-mode的優(yōu)勢在于兼容目前的硅基的驅動電路，采用0V/12V驅動控制。但由于氮化鎵的工作頻率遠高于硅基，因此半橋中點的電位會產(chǎn)生較高的dv/dt跳變，進而產(chǎn)生在驅動芯片內(nèi)部產(chǎn)生共模電流，對信號造成干擾。

共模干擾傳播路徑，圖源：納芯微

因此在選擇氮化鎵驅動芯片時共模瞬變抗擾度（CMTI）便是其非常重要的一個指標。目前包括Visic、安世半導體在內(nèi)推出的是級聯(lián)型的D-mode GaN方案。國內(nèi)芯片企業(yè)納芯微推出的NSD1624、NSI6602V/NSI6602N驅動芯片也均是針對級聯(lián)型的D-mode GaN。

直驅D-mode方案主要來自于TI。其內(nèi)部集成了負壓buck-boost電源產(chǎn)生-14/0V電平進行關/開的控制。與級聯(lián)型D-mode相比，雖然內(nèi)部也串聯(lián)了硅基器件，但芯片正常工作工作上電后硅基器件會始終能夠導通。

圖源：《玩轉GaN氮化鎵功率器件(2)---D-Mode vs. E-Mode》 泡瓦伊萊克超尼克斯

氮化鎵的另外一個分支是增強型E-mode。不同于級聯(lián)型D-mode器件，E-mode不需要串聯(lián)硅基部件，而是直接對GaN柵極進行p型摻雜來修改能帶結構，改變柵極的導通閾值，從而實現(xiàn)常斷型器件。

根據(jù)柵極結構不同，E-mode GaN又分為歐姆接觸的電流型和肖特基接觸的電壓型兩種技術路線。

電流型E-mode技術被英飛凌所采用，一定程度上解決了電壓型驅動面臨的低電平閾值、窄電平范圍的限制。但由于特別的柵極特性，因此驅動也非常復雜。

目前主流的E-mode器件為電壓型，如GaN system，ST等等。值得一提的事，GaN system去年已經(jīng)被英飛凌收購。

電壓型E-mode GaN結構，圖源：納芯微

電壓型E-mode GaN的優(yōu)勢在于低的開關損耗以及EMI噪聲。和級聯(lián)型D-mode相比，氮化鎵自身優(yōu)勢的開關特性也不會被影響。但存在的問題主要是驅動電壓范圍較窄，開啟閾值也很低，對驅動回路的干擾與噪聲會比較敏感，容易造成誤開甚至柵極擊穿。

E-mode GaN和Si Mos驅動電壓對比，圖源：納芯微

End.

氮化鎵因其高頻特性優(yōu)勢一直備受關注，但目前距離上車仍有一段距離。一是其自身方案尚未統(tǒng)一確定，二是下游客戶產(chǎn)品需要一定時間。從進展來看，OBC、DCDC等低功率部件上車的速度要快于主驅，預期目標在2026年之后實現(xiàn)上車。目前來看，電壓型的E-mode和級聯(lián)型D-mode都有很大機會勝出。除了OBC、DCDC這些小功率產(chǎn)品外，相關企業(yè)也在探索主驅應用的可能，比如Hofer、上海電驅動等都有相關產(chǎn)品推出，甚至與三電平結合以充分發(fā)揮氮化鎵的特性。只是在如今“價格戰(zhàn)”的背景下，氮化鎵作為新生技術是否有足夠的潛力來應對挑戰(zhàn)依然是個很大問題。

返回第一電動網(wǎng)首頁 >