我們相信GaN潛力是無限的，我們希望能和大家共同努力把這個產業做好做強。
【分享主題】氮化鎵主題報告（三）GaN推動電源行業的變革
【分享時間】3月17日（週二）14：00-15：00
【分享嘉賓】鄒豔波 英諾賽科（珠海）科技有限公司產品應用經理
▌以下為整理的分享內容（略有刪減）
各位在線的第三代半導體產業的專家們，下午好！我是來自英諾賽科的鄒豔波。首先感謝第三代半導體產業技術創新聯盟給英諾賽科這個機會，在這裡與大家做分享。今天我與大家分享的主題是《GaN驅動電源行業變革》。與大家分享這個主題的初衷，是想與大家探討一下GaN會給電源行業帶來哪些變化和機會。然後大家能明確方向，共同努力，把這個行業和產業做好、做強。
GaN以其優越的材料特性讓GaN功率器件具有了巨大的優勢。其為寬禁帶材料，讓其能耐受更高的擊穿電壓。可以在同等導通電阻的情況下，器件的尺寸可以做的更小，從而使的器件的寄生電容能更小。這個對於電源應用的優勢是在硬開關狀態下開關損耗更小。在諧振軟開關中，則會讓工作的死區的時間更小，從而能支持電源工作在更高的頻率。
GaN器件因其結構特點，天然存在二維電子氣，使得其具有更高的電子遷移率，從而能支持高頻。它自身是沒有寄生BJT和體二極管，這使得它具有零反向恢復損耗。同時，因為其平面器件結構的特點，其Qg和Qoss只有Si MOS的1/10，甚至更小，這使得電源工作的頻率能10倍的提高。此外，其平面器件結構特點具有的另外一個優勢，就是便於集成化。
GaN功率器件對整個行業產生影響，需要能大規模商用才可以。要實現大規模商用，其成本是比較關鍵的因素。8英寸的硅基GaN工藝平臺實現規模量產是有希望解決其成本瓶頸的。首先，採用的是硅襯底，成本相對比較低。同時，8英寸相對於6英寸可以增加有效面積84%，從而讓其成本更低。此外，8英寸的平臺可匹配更優質的上下游產業鏈，實現更先進的生產工藝和更高的生產效率。
接下來，我們一起看一下，GaN功率器件給電源解決方案帶來的變化。目前，GaN功率器件在電源領域應用進展相對較快的是在智能手機的快充領域。隨著手機電池容量的提高和充電速度要求越來越快，對充電器要求的充電功率越來越大，從之前的5W到65W，其充電功率是之前的13倍。基於便攜性的考慮，使得快充的功率密度需要越來越高，為GaN功率器件帶來了一個機會。
相對於傳統硅MOS方案，因為GaN的高頻特性好，同時單位面積導通電阻更小，使得快充電源在提高工作頻率、減小體積的同時，效率也可以提高，這樣發熱會更小。因此，快充電源的體積可以做到傳統電源體積的一半，這也就大大提高了快充電源的便攜性。
當然，現在還只是GaN發揮其價值的一個開始，它還有巨大的潛力。隨著GaN器件潛力的不斷挖掘，其未來會不斷地推動快充電源功率密度的提高，這需要整個產業鏈共同努力和進步。
隨著網絡和在線教育，以及物聯網、自動駕駛、人工智能的發展，需要大量的數據中心去儲存和處理這些數據。某種意義上受這次疫情的影響，加速了在線辦公、在線教育相關領域的快速發展。預測未來數據中心將消耗全球總能耗的5%，所以提高數據中心供電解決方案的效率和競爭力，對全球節能減排有重大的意義。
GaN器件因為其獨特的器件結構，沒有反向恢復，可以採用圖騰柱的無橋PFC將傳統的PFC效率由之前97.5%提高到99%，其拓撲簡潔，可以有效地減少電源元器件的數目，從而有效節省成本。從整體來看，GaN高頻特性的優勢可以將整個數據中心供電，包括前端PFC這這級，然後通過LLC再轉到48V，48V轉到後極，最後給AI處理芯片的零點幾伏到一點幾伏的電壓。整個供電鏈條上由傳統的硅方案的81%的效率提高到88%，可以減少供電解決方案的能耗42%。同時，因為GaN高頻特性，也可以讓其功率密度提高一倍，這樣採用GaN供電解決方案，可以有效地提高能源和空間利用率。後端針對於AI芯片供電，因為GaN的高頻特性，AI芯片的動態響應會更好。
在新能源汽車領域，這一塊目前應用較多的還是SiC，GaN應用相對來講，進展較緩。GaN得先應用在這個消費電子、工業領域去證明自己的可靠性，才可以在未來應用在新能源汽車領域。GaN器件在新能源汽車領域的潛力與價值是非常明顯的。它可以提升車載OBC、DCDC轉化器、牽引逆變器的效率。同時工作頻率能提高3-5倍，它的無源器件尺寸體積更小，這樣可以讓整個功率轉化模塊可以更小、更輕、更高效，可以省出更多的空間，從而可以實現車輛更長里程的目標。
GaN價值已逐漸顯現出來，將會有越來越多的電源產品使用GaN作設計。關於GaN電源解決方案相對於傳統Si的解決方案，存在很多差異。這好比一輛汽車發動機突然提升性能，那麼整個汽車的性能都需要改變提高。GaN功率器件相當於電源行業的發動機，因為其自身開關頻率可以支持10倍的提高，所以它也必將推動整個電源生態鏈的變革。
下面我將主要從以下五個方面分享一下，GaN給電源生態鏈帶來的變化。主要是驅動IC、控制IC、磁器件、封裝、EMC。
GaN的驅動和硅MOS一樣是電壓型驅動。它與傳統硅MOS驅動很大的一個差異是驅動電平。傳統硅MOS驅動可以支持5V-12V，是相對於比較寬泛的驅動電壓。GaN的驅動範圍相對比較窄。在高壓器件方面一般推薦驅動電壓是6V，那麼驅動的範圍就是5.5V-6.5V是一個最優的選擇，所以它的驅動電平與傳統硅MOS存在差異，使得我們針對於GaN驅動IC需要重新定義和開發，GaN的Vth相對來講比較低，這導致其更容易受干擾，特別是在半橋的應用中，為了防止誤開啟，需要採用負壓關斷。為了保證GaN開關速度快的優勢，我們需要增加一個開爾文腳去解耦驅動環路和主功率環路，避免因為驅動環路和主功率環路存在共同的寄生電感，減緩其開關速度。
接下來，我們再來看一下GaN在控制IC的變化。主要是從三個方面，分別是拓撲、高頻化、集成化。首先拓撲方面。GaN在未實現商用前，整個拓撲由簡單向複雜發展，比如三電平，用性能更好的低壓器件替代高壓器件。GaN開關的出現，由於其近似於理想開關的特性，會讓功率拓撲重新迴歸簡單。舉個例子，利用GaN沒有反向恢復特性的圖騰柱無橋PFC拓撲，GaN讓這個拓撲煥發了新的生命。那麼對於新拓撲的使用，我們需要一個新的控制IC。有一個思路是用數字IC做這一塊，但是數字IC存在算法的複雜，以及靜態功耗方面不合適。所以需要推動IC廠家去針對這樣的應用場景，重新開發IC。
第二高頻方面。目前來講，GaN雖然能夠支持頻率10倍的提高，但是整個供電源系統真正要工作在高頻，還是需要控制IC工作頻率的提高。所以基於GaN的電源系統都得倒推控制IC工作頻率的提高。
第三集成化方面。高頻對於死區、延遲的控制都提出了更高的要求。對設計來講，難度也是越來越大。針對以上問題，將控制IC集成化是一個很好的解決思路。IC廠家將控制、驅動、功率器件集成之後，形成功率模塊就使得客戶應用起來比較簡單。這樣能夠更好地發揮GaN的價值。
GaN的使用可以使變壓器的工作頻率提高5-10倍。從PPT右邊的公式可以看到，要減小變壓器的尺寸，需要提高變壓器的工作B值和工作頻率的乘積。因為受制於材料的特點，B值提高是有限的，所以說有效地減少磁器件或是變壓器的尺寸的方式是提高工作頻率。那麼變壓器的工作頻率提高後，為了達到減小變壓器尺寸的同時也減少變壓器的損耗，就需要有高頻低損的磁材匹配變壓器的設計。因為高頻化的集膚效應和鄰近效應會變得更加嚴重，這對變壓器的設計和繞組設計需要一個變革，減小集膚效應和鄰近效應，最終才能達到變壓器減尺寸同時效率提升。比如說高頻化後會利用變壓器的漏感作為諧振電感，這樣整個系統對變壓器的寄生參數會更敏感，因為寄生參數的變動可能會讓系統的工作狀態改變。這就要求變壓器的製造要求自動化的加工，保持其變壓器參數的一致性。
封裝方面，前幾期也有很多專家介紹，我現在簡單的分享一下。採用GaN電源方案因為dV/dt和dI/dt會變得更大，這就會導致其對寄生參數會更敏感，就迫使GaN器件的封裝要進一步減小其寄生參數。比如TO-220變為DFN的封裝。
因為頻率的提高，無源器件、電感、電容也會變得更小，這其實給系統集成帶了可能性。因為GaN出現，未來會走向系統集成。大家可以看到Vicor的電源模塊，把磁器件、電容、控制IC、驅動IC、功率器件全集成在一起，對於外部來看就會把它當成一個元器件來使用。我覺得這應該是GaN方案未來發展趨勢，向這種系統集成發展。
關於系統集成，集成無源器件與有源器件，相對於來講封裝有很大的挑戰，因為它涉及不同材料界面的處理。特別是磁材的封裝，挑戰是比較大的。
接下來，我們看一下EMC這一塊，圖中是我們針對工作在100KHz和200KHz器件VDS的波形傅里葉分解。可以看到工作在200KHz情況下整體的噪聲是比工作100KHz大的，由此可以得知，工作頻率的提高會導致EMI原噪聲整體變大。如果沒有技術和材料的革新，就意味著我們需要用更大的EMI濾波器件去濾除噪聲，這必將導致EMI濾波器件尺寸的變大，這其實與我們提高工作頻度、減小電源尺寸的初衷是背道而馳的。所以我們在高頻電源EMI的處理上必須有所變化。一個方面是在設計需要一些新的方法去處理，第二個是EMI濾波器件材料的革新。
對於差模的濾波就需要採用高磁導率的納米晶磁材，從圖中可以看出，上面是納米晶磁材比下面鐵氧體的磁導率提高了10倍，這樣就可以用更小的尺寸實現濾波。同時，GaN因為其開關速度比較快，它在100MHZ左右的高頻噪聲會更大，這樣需要採用高頻阻抗特性更好的鎳鋅鐵氧體去濾除100MHZ左右的高頻噪聲。
從上面我們介紹了GaN對於消費電子、工業領域、車載領域帶來的變化，以及對於電源行業相關領域的變化與機會。為了抓住這次機會，英諾賽科也是積極地參與到這次產業的變革中。下面允許我簡單介紹一下英諾賽科的情況。
英諾賽科成立於2015年12月，是一家專注於硅基GaN器件研發及產業化的高新技術企業。目前已建成全球首條月產4000片8英寸硅基GaN器件生產平臺。與此同時，位於蘇州吳江更大規模的生產基地也在緊鑼密鼓的施工中，規劃月產65000片，該項目投產後，英諾賽科有機會成為硅基GaN功率器件產能最大的公司，這也就保障了未來GaN大規模商用時的產能。
目前出貨產品主要集中在消費類電源市場。針對45W/65W的PD快充推出的是650V/200mΩ產品，針對100/300W 筆記本以及TV的電源主推的是650V/130mΩ產品。為了更好地發揮GaN器件的優勢，英諾賽科針對於同步整流管也會推出低壓GaN器件。這樣整套電源解決方案，它的高壓器件和低壓器件均採用英諾賽科的GaN器件，可以達到性能最大的提升。
同時為了解決客戶在GaN器件應用方面的痛點和難點，為了更好地創造GaN獨特的價值，我們會針對客戶的典型應用設計參考方案幫助客戶。
目前GaN處於初期，其未來值得我們期待。英諾賽科會利用IDM模式的優勢，不斷地的提高產品的設計及製造工藝。圖中可以看到我們100V的器件，目前GaN器件單位面積Ron是Si器件的80%，這就意味著GaN器件不僅開關損耗、而且導通損耗也會更小。隨著第二代產品GaN 是Si器件的一半，大大地減少導通損耗。同樣面積，就意味著一片晶圓是Si器件的兩倍，這使得未來GaN不僅具備性能優勢，並且具備成本優勢。150V管子比100V性能優勢更加明顯。我們相信GaN潛力是無限的。我們希望能和大家共同努力把這個產業做好做強。謝謝大家。
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