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宜普(EPC)CEO专访:氮化镓(GaN)在快充/无线充电和5G基站RF前端功放应用中的优势及面临的挑战

时间:2019-09-04 作者:顾正书 阅读:
《电子工程专辑》主分析师顾正书在撰写9月刊有关氮化镓(GaN)的封面专题时,书面采访了Alex Lidow,因为他及宜普公司是推动氮化镓(GaN)器件商业化发展的主要力量之一。现将采访内容汇总如下,希望为感兴趣的读者提供有价值的信息。
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Alex Lidow是宜普公司(EPC)联合创始人兼CEO,曾任国际整流器(IR)公司CEO。他是HEXFET功率MOSFET的共同发明者,拥有21项功率半导体技术专利。 Lidow曾获得2015年北美SEMI奖,以表彰他在新材料功率器件商业化方面做出的贡献。他获得了加州理工的应用物理学士,以及斯坦福大学应用物理博士学位。DeXEETC-电子工程专辑

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《电子工程专辑》主分析师顾正书在撰写9月刊有关氮化镓(GaN)的封面专题时,书面采访了Alex Lidow,因为他及宜普公司是推动氮化镓(GaN)器件商业化发展的主要力量之一。现将采访内容汇总如下,希望为感兴趣的读者提供有价值的信息。DeXEETC-电子工程专辑

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氮化镓(GaN) 功率器件相对于MOSFET和IGBT等硅基功率器件有什么优点和缺点?

主要针对电源转换应用的硅基氮化镓(GaN-on-Si)进入商业化量产已经有10多年的历史了。这些功率晶体管和集成电路的成功最初来自GaN相对于硅的速度优势。 GaN-on-Si晶体管的开关速度比MOSFET快10倍,比IGBT快100倍。已经充分利用到GaN高速开关性能的应用有很多,诸如4G/LTE基站采用的RF包络跟踪,以及针对自动驾驶、机器人、无人机和安全系统的光检测和测距(激光雷达)系统等应用。DeXEETC-电子工程专辑

GaN晶体管不仅比硅基MOSFET和IGBT速度更快,而且体积也更小,约小5到10倍。这在机器人、医疗电子以及卫星和无人机应用中具有很大的发展潜力。多年来,随着产量的增加,成本在逐渐降低。大约在2015年左右,宜普公司(EPC)推出的eGaN®FET晶体管在相同功率情况下已经可以做到与功率MOSFET竞争的价格。DeXEETC-电子工程专辑

哪些应用和市场在推动GaN逐渐替代硅基MOSFET?

体积更小、速度更快,而且价格相当!在输入电压为100 V或更低的应用中,几乎没有理由不使用eGaN FET。如今,eGaN FET已被广泛应用于或设计到使用48 V总线架构的先进服务器和AI系统中。对于传统计算机系统的USB-C转换器,我们可以明显看到从传统器件向eGaN FET或基于IC的DC-DC转换器转移的趋势。汽车系统也面临着越来越高的电气负载的挑战,因此采用基于GaN的48 V-14 V双向DC-DC转换器,可以充分利用更高电压配电带来的高效布线。DeXEETC-电子工程专辑

现今,对于19至200 V的功率转换应用,GaN晶体管是首选的功率器件,其中eGaN FET更快、更小且价格可以比拟硅基器件,并且已在现场实际应用中建立了卓越的质量和可靠性记录。DeXEETC-电子工程专辑

在快充和无线充电应用中,GaN功率器件相比传统的硅基器件在性能上有多大的提升?

现今的许多智能手机都是使用Qi感应充电器进行无线充电。然而,由于充电速度慢且要求发射器和接收器间要精确对准,Qi用户体验不是很好。磁共振提供了一种可以解决这些问题的可行方案。符合Airfuel®标准的磁共振可以让设备快速充电,而且也不要求精确对准。一张桌子就可以成为手机、可穿戴设备、平板电脑和笔记本电脑的快速充电器,而且所有设备都可以同时充电。 Airfuel标准使用6.78 MHz作为发射器和接收器之间传输功率的频率。对于较慢、老化的硅基MOSFET,这个频率比较困难,因此系统设计人员已转向eGaN FET和集成电路,以获得跟有线充电方案旗鼓相当的系统效率。对于硅基MOSFET,实际效率仅为60-70%,而采用eGaN器件可以达到80-90%。DeXEETC-电子工程专辑

在制造、设计和市场应用方面,GaN功率器件还有哪些挑战?

EPC的eGaN FET和IC产品是在台湾的标准硅晶圆代工厂生产的,可与硅基BCDMOS产品同时生产。 EPC器件唯一需要特殊处理的是需要在标准硅晶圆上面生长GaN外延层。 GaN外延层生长的额外成本可以被其较小的尺寸抵消,因为每个晶圆片可以切割出更多的器件。DeXEETC-电子工程专辑

良率也比较稳定,而且制造设备已经成熟且成本较低,因此制造方面面临的挑战是进一步缩小器件尺寸以加速市场普及,以及继续提高性能,并逐渐增强相对于硅器件的成本优势。为了进一步缩小器件尺寸,需要改进GaN晶体以减少可能导致电子陷阱的缺陷。缩小eGaN器件尺寸的另一个限制是器件需要电源输入和输出。随着器件尺寸的缩小,高电流密度变得更高,而我们已经接近焊料和铜层的极限,这将影响传导高密度电流的可靠性。解决这一难题的唯一方法是将多个功率器件与驱动器、逻辑、电平转换和保护电路集成在同一芯片上。这种高集成度可以减少系统级芯片与底层印刷电路板之间的连接数量。通过这种整合方案,电流密度还可以增加一倍以上。 EPC已经采用这种集成策略推出了多款集成器件,例如EPC21XX系列单片半桥、FET+驱动器,以及单片功率阶器件,在一个GaN芯片上集成了驱动器、电平移位器、逻辑和功率FET。DeXEETC-电子工程专辑

请谈一下您对GaN器件全球市场的看法

据Yole Developpment调查,全球至少有12家公司正在积极开发或生产硅基GaN功率器件,其中大多数产品都是针对600-650 V的电压范围。EPC、GaN Systems和英飞凌则专注于400 V以下电压的应用。DeXEETC-电子工程专辑

需求正在迅速增长,EPC预计今年的收入将翻一番,2020年会再翻一番。需求增长的主要推动力是电信、汽车(激光雷达和48 V DC-DC),以及计算机市场。我们也看到卫星通信电子和医疗电子产品的快速增长,尽管这些市场整体规模较小。DeXEETC-电子工程专辑

您如何看待5G为GaN带来的机遇?

GaN在4G系统的功率放大器中已经使用多年,这些GaN器件是在碳化硅衬底上制造而成的,以便改善其热性能。这种趋势将会在5G时代持续下去,因为5G的频率和功率密度要求更高。 硅基GaN在许多4G系统的包络跟踪供电方面取得了成功。这种供电方式可以调整传输给功率放大器的功率,从而使硅基GaN功率放大器的效率可以提高一倍。所采用的包络跟踪技术在5G系统中更为重要,预期会大大扩增使用GaN-on-Si FET和IC的市场规模。DeXEETC-电子工程专辑

在部署5G时,无线充电也有潜在的市场。随着传输频率的增高,信号穿透外墙的能力大幅降低。因此,对于希望拥有宽带5G的家庭,就需要安装小小的外部天线。而为这些外部天线供电就需要外部电源连接,这就有点麻烦了。可行的替代方案是使用磁共振穿透墙壁为天线无线供电。GaN器件可以有效且经济地实现这种方案,而且也可以避免由于安装防风雨的户外电源连接而导致的高安装成本。DeXEETC-电子工程专辑

在RF前端应用中,GaN器件跟砷化镓(GaAs)和硅基LDMOS器件相比有什么优点?

GaN-on-SiC晶体管由于其成本效益和高性能而在4G基站中变得流行起来。GaN-on-Si可以达到比GaAs或Si LDMOS更高的电压,从而可实现更高的数据传输速率。DeXEETC-电子工程专辑

基于GaN的包络跟踪技术如何提高5G基站和手机中RF功率放大器的效率?

随着对带宽需求的增加,功率放大器也要增加幅度调制信号的峰值输出电压。然而,平均功率是受系统热约束条件限制的。因此,峰值与平均值(PAPR)功率比会相应增大。理论上,随着PAPR的增大,PA的效率会下降。要保持PA效率不受PAPR影响的方法是使电源仅向PA提供所需的功率。峰值时提供的功率高,谷值时提供的功率就低。实现这种方案的技术称为包络跟踪,这种技术采用eGaN FET器件在通信系统中使用已经5年多了。DeXEETC-电子工程专辑

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中美贸易摩擦对全球GaN市场会有什么影响?

中美贸易战会对全球GaN市场的供应和需求产生重大影响。一方面,美国供应商正面临禁止向华为供货以及对进口产品征收关税的禁令。鉴于贸易谈判中出现的不可预测性,中国客户也担心元器件供应的可靠性。这将导致中国客户延迟或终止使用GaN的新项目,自然这会鼓励中国本土GaN初创公司的成立和发展。我们无法预知贸易战的长期影响,但美国供应商与中国客户之间的信任关系会遭受破坏,这需要多年才能修复。DeXEETC-电子工程专辑

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顾正书
电子工程专辑(EETimes China)主分析师。以深圳为坐标原点,扫描全球电子和半导体行业。专注于China Fabless和SoC设计细分市场的分析和学习,欢迎交流。
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