氮化镓功率半商业升温

市场基于氮化镓(GaN)技术设备加热在推动更快和更有效的系统力量。

今天,氮化镓广泛用于发光二极管的生产。此外,它是获得蒸汽在射频(RF)市场。最后GaN-based功率半导体市场似乎准备起飞,经过几次失败的尝试,令人失望的结果。

2010年,厂商宣布第一批GaN-based电力半导体。但直到最近,产品可用性是稀缺,价格高,搜索应用程序的技术。

不过,现在GaN-based权力半决赛正在进入电力供应市场。随着时间的推移,这些设备将进入电动汽车,为移动设备充电快适配器,无线充电和其他系统。

“各地GaN需求如雨后春笋般拔地而起,Lidow亚历克斯说,高效的能量转换(EPC)的首席执行官GaN-based权力半市场的先驱之一。“最大的应用是激光雷达(光距离和测距),信封跟踪4 g / 5 g LTE基站,为服务器和电信设备和直流-直流转换器。无线充电还很小,但我预测这将是我们的一个到2020年三大应用程序。”

GaN-based电力设备和其他类型的电力半导体电力电子领域的使用。基本上,电力电子利用各种固态电子元器件,更有效地控制和转换电力智能手机从充电器到大型发电厂。在这些固态组件,芯片处理转换和能量转化功能。

对于这些应用程序,氮化镓是理想的。基于氮化镓和氮化镓是一种III-V,宽禁带技术,这意味着它是更快,提供比传统硅基器件击穿电压高。

问题在于,一般来说,硅功率半决赛提供足够的性能对于许多应用程序,仍比GaN便宜。此外,GaN-based电源元件生产使用GaN-on-silicon过程,这是一个相对论昂贵和复杂的技术。

图1:氮化镓与硅和碳化硅。来源:Transphorm。

“氮化镓半导体开始削弱总功率半导体市场,但它仍然是非常小的,到目前为止,”理查德·伊登说,IHS Markit技术的高级分析师,市场研究公司。“最大的挑战是价格,接受技术和(需要更多)教育/支持。”

总的来说,功率模块和功率离散设备市场预计将从119亿年的2015美元增长到127亿年的2016美元,根据Yole开发署。图,GaN-based权力半市场预计将在2016年仅为1000万美元业务,根据Yole,但业务预计将以每年86%的速度增长,从2016年到2021年。

预计增长GaN-based权力半决赛促使许多公司进入这个市场。EPC、甘系统、英飞凌、松下和Transphorm运送这些设备,根据Yole。此外,对话框,NXP半导体、德州仪器和其他正在开发他们。

图2:GaN和Si MOS晶体管。来源:松下。

此外,两个铸造厂,台积电甘和赢得半导体,提供流程。现在Wavetek,台湾联华电子的业务单位,计划进入GaN铸造业务。

电源元件是什么?
同时,权力半决赛是为了提高系统的效率,减少能量损失。但在现实中,一个设备的能量损失有可能两个reasons-conduction和切换。传导损失是由于电阻的装置,当开关损失发生在州,根据松下。

所以,这个想法是为了找到一个晶体管技术,提供更快的开关速度较低阻力。oem厂商也看一些其他因素,如电压、电流、负荷、温度、模具尺寸和成本。

今天,有几个功率半技术可供选择。入门级市场的传统功率场效应管,在10 - 500伏的应用程序使用。发达国家早在1970年代,功率mosfet是基于垂直晶体管结构。

功率半供应商之间的大战役是发生在两个中档电压段- 600和1200伏特。这些领域的主要应用包括适配器、汽车、开关电源和太阳能逆变器。

为此,oem厂商之间有一个选择两个硅解决方案和两个宽禁带的技术。两个硅解决方案,super-junction功率mosfet和igbt,现任技术主导景观。

基于横向器件结构,super-junction使用功率mosfet在500 - 900伏的应用程序。与此同时,IGBT结合了场效应管的特点和双极晶体管。igbt 10-kilovolt应用程序用于400伏。

Super-junction mosfet和igbt不需要尖端的过程。他们可以使用300 mm晶圆生产,这使得他们相对便宜。

问题是,super-junction上限在900伏特。和igbt饱受开关的速度缓慢。“过去三十年中,硅场效应管的功率器件的选择对于大多数电力电子应用中,“多明戈说道,在Wavetek销售和市场部高级经理。“然而,下一代和新兴应用程序继续进一步大幅改善电力需求转换性能,硅基电力场效应晶体管接近物理性能高原。”

这就是为什么这个行业感兴趣的两个宽禁带solutions-GaN和碳化硅(原文如此)。宽禁带是指一个电子所需要的能量,以使其摆脱轨道。它也是一个参数决定质量的自由移动的电子。

氮化镓的能带隙3.4 electronvolts (eV)。碳化硅的能带隙3.3 eV。相比之下,硅的能带隙1.1 eV。

一般来说,在电力领域,GaN-based电源元件用于30 - 650伏的应用程序。SiC场效应晶体管是针对600伏10-kilovolt系统。

那么什么是最好的技术在600 - 1200伏段?这取决于需求和成本。“我们没有看到GaN和super-junction功率mosfet一定竞争力,”埃里克·佩尔森说,英飞凌GaN应用经理,世界最大的电力半供应商。英飞凌芯片销售基于所有technologies-MOSFETs, igbt, GaN和碳化硅。

“如果你需要使用super-junction来满足您的需求,那么这样做。的唯一原因,甘你去如果是便宜或如果你需要密度或效率,意味着更高的频率不牺牲效率,”皮尔森说。“我们相信甘仍将是600伏特的主要技术。在1200伏,我们相信碳化硅场效电晶体将是未来。”

随着时间的推移,这些技术将开始重叠。“在重叠区域,这就是它下来等具体的标准成本。这也可以归结为成本驱动的设计还是性能,density-driven设计。灰色区域将随着时间的推移,随着产品的成熟,”他说。

氮化镓是什么?
不过,可以肯定的是,GaN-based权力半决赛不会主导景观在一些制造业和产品的挑战。在工艺流程中,氮化镓设备开始于硅衬底。然后,一层氮化铝(AlN)衬底上生长。这一步后,氮化镓生长还层使用金属有机化学气相沉积(金属)。是层之间充当缓冲衬底和氮化镓。

“挑战与这些(宽禁带)基质是它们非常昂贵,很难制造,”Ben Lee说,主任技术营销和产品策略应用材料在一个博客。“与(硅)基质相比,氮化镓基板通常6英寸或更小。有些是8英寸,但供应非常有限。碳化硅基板现在只是进入六英寸。”

还有其他问题。“甘,AlN-type需要缓冲层由于晶格不匹配GaN和Si,”李说。“这些缓冲层是不平凡的,需要调优来帮助减少电荷陷阱。”

因此,该行业必须继续解决那些问题。”(我们的目标是)应对的挑战,如晶格失配、热膨胀系数的差异,和更厚的缓冲层,以适应垂直电压下降,“Wavetek黄说。

在设备方面,与此同时,传统耗尽型氮化镓芯片是“正常”的操作。一个负偏压首先必须应用。如果没有,系统会短路,使他们不受欢迎的对许多应用程序来说,根据EPC。

因此,供应商已经从损耗-增强型设备。这些设备,更可取的oem厂商,通常直到电压应用于门。

不过,问题是明确意愿的顾客购买这些零件?甘是有前途的,但这个行业更愿意坚持更熟悉功率场效应管等技术。“仍然需要一个广泛而有效的教育活动来解释为什么和客户如何充分利用氮化镓的技术,”说,IHS Markit的伊甸园。

然而最近,甘设备供应商解决其他的问题。“仍有误解,GaN设备更昂贵的比mosfet,“EPC的Lidow说。“这需要时间来扭转这一误解,但是它正在发生。EPC开始匹配或容量的应用程序在2015年5月在MOSFET价格。”

应用程序
反过来,这使得多个应用程序GaN更具吸引力,包括高端数据中心电源和电信。实际上,数据中心运营商面临着大量的挑战,即减少电力消耗在这些巨大的设施。

有几种方法可以解决这个问题。一个公司,谷歌,利用具有48 v架结构在其数据中心,这是比目前的12伏技术更节能30%。

一般来说,架由服务器和电力供应。“他们也许在这些架子50或60千瓦的电力。他们想把它到80年或90年。这是一个巨大的权力,但他们想用同样的空间,“佩尔森英飞凌的说。“驾驶他们的是他们想要的效率最高,大约有98%的端到端。”

为此,电力供应是至关重要的。电源可由变换器的功率因数校正(PFC)。PFC确保系统可以在其最大效率运行。

一个常见的电源拓扑利用dual-boost连续导电模式(CCM) PFC电路。在某些情况下,这个电路是由super-junction功率MOSFET。“它就完成任务了,”皮尔森说。“你可以得到99%的效率,但这是有代价的。你也不能在高频率操作它。”

另一个选择是使用一个图腾柱CCM-PFC设备,基于600伏GaN设备。这个解决方案是更昂贵的,但也有一些好处。“图腾柱是一个更简单的拓扑结构,”他说。“我可以操作相同的拓扑与氮化镓在更高的频率。你可以得到99%以上的效率在PFC广泛的功率水平。它可以节省资金和运营成本。”

与此同时,还有其他新兴GaN申请。例如,对话框半导体最近进入GaN市场计划充电快应用的技术领域。

当一个智能手机或其他移动设备较低或耗尽了力量,系统必须使用墙适配器或充电器充电。在美国,标准电压是120伏特。

“当你与USB适配器插入你的手机,你通常得到5伏,”托马斯·莫雷诺说,业务发展主管对话框。”,实际上是有限度的多大的权力你可以抽出。功率等于电压乘以电流。只有1.25安培的电流的电缆。这是电缆的限制。所以你可以抽出7到8瓦的电话。”

总之,智能手机充电需要太多时间与传统墙适配器。作为回应,该行业开发了快速充电技术,提高了输出电压。“你是向电话,注入更多的力量从而充电更快,“莫雷诺说。“你可以在30分钟内手机充电80%。”

对于这个应用程序,对话框提供了三个芯片快速充电应用charger-a调节控制器,同步整流控制器和通信集成电路。

很快,对话框将添加第四个芯片的解决方案a GaN幂半。设备,称为网格,包含一个甘650伏电源开关和其他电路,从而降低功率损耗50%效率高达94%。“你可以增加功率密度40%,”他说。“你可以抽出更多的权力和充电电池更快。”

针对智能手机和平板电脑,对话框将在2017年开始采样其GaN-based充电快的解决方案。与此同时,随着时间的推移,甘将用于汽车、卫星、医疗设备和其他系统。

可以肯定的是,GaN进展。但硅mosfet在这里留下来不会很快消失。反过来,这将使这个行业动态,如果不是在不断变化。

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