如何将化镓器件耐压提升到更高水平

最近，Power Integrations针对氮化镓（GaN）的发展趋势进行了一场精彩的直播活动，旨在向观众们深入解析这一领域的最新动态。

本次直播为Power Integrations的高层一起讨论氮化镓的发展历程。他们（从右到左）分别为技术副总裁Radu Barsan、董事长兼首席执行官Balu Balakrishnan、产品开发副总裁Roland Saint-Pierre 与汽车业务发展总监 Peter Vaughan。

针对氮化镓器件未来的发展，PI高层坚信，与硅技术甚至是碳化硅技术相比，氮化镓可以说是一种更加适合于高压开关应用的技术。这是因为相较于碳化硅，氮化镓在成本效益方面具有更大的优势。随着技术的不断进步和市场的逐渐成熟，氮化镓的成本效益将进一步提升。

PI高层认为，在未来功率转换应用领域当中，当功率达到某个水平以上时，氮化镓必将取代硅，成为更具成本优势且性能更优越的技术选择。这一趋势不仅体现在高压开关领域，还将在更多其他功率转换应用场景中得到体现。

为了实现这一目标，PI正在加大研发投入，不断优化氮化镓器件的性能和可靠性。他们相信，通过持续的创新和技术进步，氮化镓将在高压开关应用以及其他功率转换领域发挥越来越重要的作用。同时，他们也期待与全球合作伙伴共同推动氮化镓技术的发展和应用，为全球客户提供更高效、更可靠的能源解决方案。

在本次直播中，特别提到了共源共栅结构的氮化镓器件。这是一种将处于“常闭”状态的氮化镓器件，与一个低压的MOSFET相串联的器件架构。低压MOSFET的漏极与氮化镓的源极相连，由控制器来控制低压MOSFET的导通和关断，从而对整个高压器件的状态加以控制。这样的结构具有很多的优点。

首先，它有助于进行无损耗的电流检测，这对于精确监测电路中的电流变化非常关键。由于低压MOSFTE与氮化镓开关管是串接的，因而此时只要检测低压MOSFET的电流就可以了。其次，利用这个结构，能够实现自偏置供电，从而简化了电源的设计和可靠性要求。此外，共源共栅结构还能够将击穿电压扩展到比硅开关以及增强型氮化镓开关更高的水平。

目前已经有一款经过车规认证的900V氮化镓器件，PI有信心将化镓器件耐压提升到更高的水平。

在考虑器件、材料和结构方面的原因时，PI认为将众所周知的耗尽型氮化镓与低压场效应晶体管（FET）相结合，形成共源共栅的结构是最佳的选择。其中一个重要原因是可靠性。氮化镓器件，即所谓的HEMT（高电子迁移率晶体管），在自然状态下是一种“常闭”的器件。如果人为地将其变成增强型器件，就会增加风险。增强型器件在栅极结构的耐用性方面存在弱点，需要使用复杂的负向栅极电压驱动来克服噪声对驱动的影响，这会导致较低的驱动电压阈值。

另一个共源共栅结构的优点是可以充分利用硅器件当中已经具备的各种功能，来满足具体功率应用的需要。而在单一的增强型氮化镓器件当中实现这些功能所需的成本则要高得多。因此，PI将这两种技术的精华融合到了这个架构当中，以实现更高效、更可靠的功率转换解决方案。

对于自身氮化镓产品的技术优势，PI拥有专利的封装以及特有的控制方式，可以在整个工作范围内实现恒定的高效率。氮化镓是一项关键的技术，可以将电源的功率密度和效率提高到硅MOSFET无法达到的水平。PI的氮化镓技术使他们能够更容易地达到更高的电压，而不会遇到其他人在氮化镓技术方面通常所面临的挑战。从长远来看，器件能够达到更高的电压，可以解决800V母线电池系统的问题。与市场上大多数其他氮化镓产品相比，PI的氮化镓结构具有独特的成本效益。

PI的PowiGaN技术与同行所使用的其他氮化镓技术，在生产及可靠性管控方面也有所不同。他们的开发工作涵盖了产品制造和设计环节的各个方面，从外延生长到晶圆厂的晶圆制造，再到可靠性测试、器件本身的设计以及生产过程中的质量控制，一直到性能和可靠性的系统级验证。在产品认证期间，将会进行非常严苛的可靠性测试，并执行一些JEDEC标准的测试。

PI非常重视整个开发过程和生产筛选环节的质量监控能力。首先，将对氮化镓进行失效测试，而不仅仅局限于通过某些固定的建议的产品合格标准。因此，从外延生长到最终产品测试，PI始终保持端到端的质量控制。这也是使PI的PowiGaN与其他氮化镓厂商不同的地方之一。

PI对他们产品具体使用环境的理解也有着独特的专长。在某些国家的特殊情况下，输入电压可能会发生一些奇怪的事情，这会影响到产品的稳定性。正因为他们拥有这方面的专业知识，才能反复锤炼设计并进行周全的考虑，以确保氮化镓产品的稳定可靠，并具有非常坚固和强大的可靠性。

在一款氮化镓产品发行前，它可能已经在实验室进行了四至五年时间的测试和改进。PI在产品开发本身也做了很多努力。在控制器中，为器件设置了许多保护机制，以确保当客户在使用器件遇到故障时，能够尽可能地提高元件的可靠性。

总之，PI的PowiGaN技术在封装、控制方式和可靠性方面都与众不同，致力于提供稳定可靠的氮化镓产品，以满足客户的需求并超越他们的期望。

那么针对汽车行业，对GaN技术的接受度是如何的呢？PI认为，随着交通的电气化和汽车市场的快速变化，人们的态度也发生了一些变化。汽车行业对新想法、新事物的接受度也更加开放。碳化硅作为一种能够提供OEM厂商所追求的性能和效率表现的技术，虽然具有卓越的性能，但价格较为昂贵，属于一种昂贵的技术。而氮化镓则能以更低的成本实现类似的性能，因此人们对氮化镓的前景充满期待。

氮化镓作为开关技术的优势之一就是可以设计出非常紧凑、效率非常高的几百瓦的变换器。这使得车辆能够在充电时通过变换器来供电运转。这种高效的转换能力使得车辆在行驶过程中能够更有效地利用电能，提高能源利用率。

氮化镓在汽车领域的应用与汽车行业的需求能够完美结合。其具有高效率和小型化的特点，以及减少元件数量的优势，都符合汽车行业对于产品尺寸、重量和能效的要求。因此，氮化镓的应用为汽车行业带来了巨大的潜力和机遇。

PI致力于为客户提供完整的商业解决方案，包括氮化镓器件的设计、制造和支持服务。通过与客户紧密合作，PI可以根据其特定需求定制开发适合的解决方案，并提供全面的技术支持和维护服务。

随着汽车行业对于新技术的接受度不断提高，氮化镓作为一种高效、小型化和低成本的技术，正逐渐受到行业的青睐。PI相信，氮化镓在汽车领域的应用将会越来越广泛，并为行业的发展带来新的机遇和挑战。

编辑：黄飞