GaN Systems CEO：GaN晶体管掀起电源转换市场新革命之全解读

电源转换市场相当可观，达150亿美元。整个世界的计算量正变得越来越大，我们生活中所使用的电子元器件越来越多，并且更多的人需要使用电子产品；为了更谨慎地利用我们的资源，电源转换的效率变得愈加重要。而对于功率半导体来说，这意味着需要有更好性能的革命性解决方案。 然而，功率半导体的变化相对摩尔定律要慢得多。摩尔定律说的是，差不多每两年，IC内的晶体管的数量翻一倍。功率半导体器件的创新周期却是20年——从真空管，到FET，到双极型晶体管，到MOSFET，到IGBT，再到现在，我们进入到了GaN晶体管的新时代。

图1：功率半导体创新周期为20年。
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GaN晶体管为何能够实现极高效率？ GaN晶体管由于能够实现更轻巧、更便宜的电源转换，正在成为MOSFET和IGBT产品的替代解决方案。日前，借GaN Systems公司CEO Jim Witham先生来华之际，EDN China记者有幸对其进行了独家专访。从这次的采访中，笔者了解到了GaN晶体管在器件本身和应用上的各种优势，以及GaN Systems公司技术的独到之处——请看下文。

图2：GaN Systems公司CEO Jim Witham先生。
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首先，对于电源设计人员来说，GaN晶体管的好处在哪里？看看下图便一目了然——左边的是用硅器件制作的电源，右边的是用GaN器件制作的电源。具体来说，GaN相比硅器件，拥有更好的材料特性：1000倍开关速度，10倍电阻/面积，以及13倍的品质因数。而电源设计借此则可以得到以下改进：更高效率（降低50%~90%损耗），更小（1/4尺寸），更轻（1/4重量），更低的系统BOM成本。

图3：GaN晶体管相较硅晶体管的优势
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GaN晶体管适用的功率范围为5W到500kW，因此可以用到很多应用当中。“GaN最根本的特性是开关速度更快。如果开关速度更快，那损耗就可以降低，而效率也就越高。”Witham先生解释说，“通常，电源的平均效率大约是90%，因此有10%的能量流失了。而一般的GaN晶体管的效率是98%或99%。此外，由于开关速度更高，频率越高，电感、电容和变压器都可以变得更小。当效率变高时，散热器也就可以变得更小，甚至是可以不需要。因此电源就可以做得更轻巧，BOM成本也更低，出货的部件也更小。” GaN晶体管适用的市场包括：消费类、企业级、工业以及交通（如图4所示）。其中的三大应用包括：汽车驱动用电机、充电器以及DC/DC转换器。“从中国的角度来说，中国的产品遍布世界各地。我们去访问的客户都有很多的适配器产品，比如华为和中兴的市场很大。工业太阳能也在壮大。中国的电动汽车（EV）市场也在激增，大家都对这个市场非常着迷。”Witham先生透露。

图4：GaN晶体管适用的市场一览
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相同的产品既可以用于5W的手机用电源适配器，又可以用于丰田（Toyota）的55kW电动车牵引电动机。更高的效率、更小的体积、更轻的重量、更低的成本，这些都是因为GaN的开关和传导性能要更高。 【分页导航】 《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载 {pagination} 技术比较：硅、SiC和GaN，是否会是竞争关系？ 品质因数（FOM）是晶体管的最重要的参数，它等于Rdson * Qg。前者是传导损耗，后者是开关损耗，这二者构成了电源那10%的损耗。这在实验室可以测量得到。 “回顾历史，MOSFET最开始是在大约1990年推出，IR的HEXFET是当时最好的产品之一。大约在2000年，超结晶体管推出了。ST和Infineon的产品最好，比如Infineon的CoolMOS C7系列是世界上最好的超结晶体管。它赢得了非常好的市场份额。而现在到了GaN Systems的GaN晶体管器件。”Witham先生说。

图5：硅、SiC和GaN晶体管技术对比
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“那么价格呢？”当笔者插话问到时，Witham先生表示：“从根本上讲，GaN晶体管要比超结晶体管便宜。但现在由于产量关系，它比较贵（大概2~3倍价格）。但是如果量大的话，它的价格可以低于硅器件。”（注意：这里只是说器件价格，总体BOM成本要更加便宜哦！） 那么，GaN和SiC应用的区别在哪里，是否会是取代关系？Witham先生回答道：“从曲线上看，SiC的性能和C7差不多，也就是说它的开关和传导性能并没有那么好。但是SiC非常适用于高电压，以及高温（200℃）情况。GaN和SiC的竞争并不是非常大。SiC是高压器件，GaN是中压，Si则是低压。我想，Infineon、ST在展会上可能都说过同样的话：0~100W是Si器件的适用范围，100W~1200W是GaN，1200W以上则是SiC。” 为什么GaN Systems的GaN器件更好？看两大关键技术 然而，并非所有的GaN晶体管都是一样。得益于针对半导体裸片的岛技术和GaNPX封装技术这两个重要技术，GaN Systems的产品更胜一筹。那么这两个技术的独特之处在哪里？

图6：GaN Systems两大关键技术——岛技术和GaNPX封装技术解析
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岛技术对传统的指技术 传统的晶体管结构是指状的，栅源漏极在中间，栅极不断地开和关。“我们一开始也是采用这种技术，但后来转向了岛技术，因为我们发现采用岛技术可以使裸片做得更小。”Witham先生介绍说，“如果每个手指上有1A，总的就是4A（图6），这就需要处理更大的电流，裸片就会更大，浪费空间。而如果采用岛技术，每个岛都是独立的，每个上面是1A电流。我们从上面用铜线将电流引出，这样就可以将每个岛做得很紧密。这对于大电流来说很重要，大电流针对的是工业和汽车应用。因为每个岛（比如100个岛）是独立的，通过测试，如果某个岛有缺陷，我们可以不连接这个岛而仍然使用该器件上其余的99个岛，因此可以获得高良率。而如果一个手指有缺陷，整个器件就报废了。” GaNPX封装对传统的PQFN封装 传统的PQFN封装连接裸片采用引线键合，而如果要做到高开关速度，有两个事情非常关键：一是低电感系数，采用引线不好；二是高热导率，采用引线也不好。“因此，我们在封装内采用很多的铜来连接。而铜有很低的电感系数和很高的热导率，因此采用这种封装能够锦上添花。”Witham先生说。 GaN Systems拥有完整的GaN产品组合，是唯一一家提供650V和100V GaN产品的公司——增强型模式（E-HEMT），电流范围从7A到250A。 “硅基GaN非常重要，因为成本更低。GaN Systems将产品设计成常断型是为了安全考虑——GaN/SiC共源共栅等常开型器件则不太讨人喜欢。”Witham先生透露。 使用硅器件的电源要使用风扇，这会产生噪声，而且会产生故障。而采用GaN器件则由于效率很高，而无需风扇。值得注意的是，低功率的时候，GaN和Si的特性相差不大（高功率的时候相差就越来越大），所以目前来说（十年后可能说不定），像电脑内部电源这种小功率的应用还是会选Si器件来设计。 在EV方面，丰田和GaN Systems合作设计了一个模块来运行电动车电机，用于在测试环境中持续验证其可靠性。储能系统（ESS）在美日韩等地很流行，它由太阳能电池连接到电网组成，居民可以反向供电盈利。由于有很多的电能传输，效率就非常重要。还有军用的电池组，由于需要携带，就需要做得很轻巧。 GaN Systems的很多员工都来自电源行业，该公司最初的创立者和芯片设计人员来自鼎鼎有名的Nortel公司（北电网络有限公司），他们也做GaN RF晶体管。渥太华政府实验室有个GaN半导体Fab，加上Nortel的背景，GaN Systems公司设置在渥太华。此外，GaN Systems也在台积电（TSMC）做芯片代工。 GaN Systems成立于2008年。而至今的这8年开发，即将改变150亿美元功率晶体管市场的未来。Witham先生谈道：“2014年是GaN晶体管产品的上市年，2015年是我们与客户一起设计之年，2016年是我们看到客户将产品带向市场之年。2016年对我们来说是个大事件。对于公司的成长来说，下一步将要讨论的是应用和工程，即你如何使用这种器件来从中获得最好的性能并利用该性能。” 【分页导航】 《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载 {pagination} Power is sexy again：谷歌Little Box Challenge挑战赛作品体积缩小250倍！ 同时，他介绍，谷歌在“Little Box Challenge”挑战赛上曾说，逆变器对电源来说非常重要。由于能源革命，我们必须使它变得更小和更有效。所以他们说，他们会提供一百万美元奖金给获奖者——任何能够把逆变器做得非常小的人。他们有一些技术要求需要满足。参赛者需要设计、制造出逆变器，并将它提交给谷歌。谷歌然后再从中遴选出18个决赛选手。18个决赛选手再在美国国家实验室测试其产品，谷歌将在2月份宣布获奖者，并颁出一百万奖金。虽然获奖者现在还不知道是谁，但是他们使用了GaN Systems的GaN晶体管。并且通过使用该GaN晶体管，相对于现有的逆变器，他们将逆变器的体积缩小了250倍。GaN晶体管的开关速度比硅器件要高得多，这是体积得以缩小的原因。甚至于某些客户将变压器省去，直接通过空气耦合！

图7：相同定额（650V/30A）的硅晶体管和GaN晶体管对比
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图8：3Nergy公司采用GaN Systems公司HEMT FET设计的Little Box Challenge 2kW逆变器，体积比现今同等产品缩小了250倍。
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“我们在接下来的5年内将看到难以置信的设计，因为现在设计人员有了新工具，而任何时候设计人员有了新工具，他们都会迸发出难以置信的新想法来使用这些工具。晶体管是电源最首要的组成部分。过去20年，我们使用相同的超结晶体管、MOSFET和IGBT，而现在有了新工具，我们将实现整体的革命，这非常的振奋人心。有人曾和我说：‘Ha, Jim, Power is sexy again. I never thought it would happen!’”Witham先生笑道。 中国的电动车兴起，非常令人印象深刻。政府高层期望通过电动车的部署使环境改善，能源节省。“但是现在基础设施还不成熟呢？”笔者反问。Witham先生举例道：“我曾在日本工作过6年，从1994年到1999年。在此期间，我在亚洲组建了销售团队，包括中国。那时候我有大部分业务是在电信行业。1994年，那时还没有手机，中国的电话线路非常少，打电话的质量非常差，并且也非常贵。但是政府说，通信非常重要，我们必须要投资。电话线路越建越多，华为、中兴也变得越来越强大，这个产业壮大了，通信也变得更加的容易和便宜。因此，我认为电动车行业也会像通信业这样在中国得到兴盛。虽然现在基础设施还不成熟，但是政府会试图加强基础设施建设。我认为今后的十年，基础设施和电动车都会得到剧增。”Witham先生对电动车市场充满信心。 【分页导航】 《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载

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