【導讀】氮化鎵技術擁有低功耗、小尺寸等特性設計上的獨特優勢，其優勢以及成熟規模化生產能力使其近年來在功率器件市場大受歡迎。在前不久舉辦的EEVIA第五屆ICT技術趨勢論壇上，這個主題受到國內媒體的集體“圍觀”。
富士通電子元器件高級市場經理蔡振宇（Eric）的“氮化鎵產品主要的應用場景和未來的趨勢”主題分享，將富士通電子旗下代理產品線Transphorm公司獨特GaN技術和產品方案第一次帶到中國媒體面前，采用創新的Cascode結構的HEMT高壓產品讓Transphorm在氮化鎵功率表技術領域劍走偏鋒，成為該陣營的領頭羊。
富士通電子元器件高級市場經理蔡振宇（Eric）主題演講中
高壓GaN技術的領頭羊是如何煉成的？
最近一年多以來，一個中國工程師和媒體社群極少聽到的品牌——美國Transphorm公司——以一種“穩秘模式”異軍突起，已成為電子能源轉換行業開發與供應GaN解決方案業務的國際公認領導廠商。據Eric介紹，基于知名投資公司的資金支持(其中包括富士通、谷歌風投、索羅斯基金管理公司以及量子戰略合作伙伴資助等)，Transphorm成為了一家快速成長的公司，尤其是在高壓GaN解決方案方面是國際公認的領導者，Transphorm致力實現高效且緊湊的電源轉換。
“事實上，Transphorm已經是GaN技術的行業‘老兵’。”Eric指出，“Transphorm創始人與核心工程團隊在電源和GaN半導體方面，有超過20年的直接經驗和領先地位。”據悉，自1994年以來，Transphorm的團隊已經率先推出了最早的GaN晶體管的開發，幾經合并后的團隊帶來了卓越的垂直整合經驗，其中包括GaN材料和器件、制造與測試、可靠性和應用工程，以及制造和電力行業知識。“這種垂直專業技術保證了能夠以最快的速度響應客戶的需求，并且確保了重要的知識產權地位，同時還提供符合客戶的要求專用電源解決方案。”Eric表示。
Transphorm公司的GaN專業知識和垂直整合使其能夠快速開發出高性能、可靠并且強勁的產品。Transphorm是重要戰略性知識產權的初創者，擁有超過400項國際專利，包括收購富士通的功率GaN設計、開發和知識產權資產。Transphorm的專利實現了成功將GaN商業化的方方面面，包括材料生長、器件結構、器件制造方法、電路的應用、架構和封裝等。
結構創新，HEMT改善的不僅僅是效率
據Eric介紹，Transphorm HEMT 氮化鎵產品的獨特性源于其獨特的產品內部結構。從半導體的結構來看，HEMT 氮化鎵產品跟普通MOSFET不一樣，電流是橫向流，它是在硅的襯底上面長出氮化鎵，它是S極垂直往上的，上面是S極流到D極，與傳統的MOS管流動不一樣。
HEMT器件獨特的Cascode結構剖析
目前所有的產品在技術和研發上有兩個方向，一個是上電的管子是關著的，還有一種是上電以后管子是打開的。基本上前面的產品是沒有辦法用的，因為一上電管子就關了。“有友商在第一個管子上面人為地做成Normally off（常關）。但隨著時間的推移，原來5伏可以打開，慢慢時間久了可能6伏才能打開。”Eric指出，“對這個問題，Transphorm給出了解決辦法——通過增加一個低壓MOS管，這個結構就是前面提到的Cascode結構，用常開的產品實現常閉產品一樣的性能。”
據Eric解釋，此結構的優點首先是它的閾值非常穩定地設定在2V，即給5伏就可以完全打開，一旦到0V會完全關閉。而且這個結構還帶來另一個優勢：氮化鎵的驅動和現在的硅基是兼容的，可以無縫地連接到氮化鎵的功率器件上，沒有必要改成新的結構。這為工程師設計會帶來一些便利，GaN橫向結構沒有寄生二極管更小的反向恢復損耗和器件高可靠性，
GaN是常開器件Vgs為負壓時關斷，實際上Transphorm在GaN上串聯一個30V的Si MOS解決0V關斷5V導通的問題。
HEMT結構的氮化鎵產品確實有很多獨特的優勢，但到底好到什么程度呢？能不能對其與主要的競爭產品進行特性對比？Eric給出了一組數據——Transphorm找了一個市場上比較流行的某友商的產品進行了關鍵參數對比：該廠商的正向導通所需的柵極電荷是44，而Transphorm是6.2，約七分之一；友商產品的QRR一般是5300，Transphorm是54，只約為其1%。
幾個關鍵數據的對比，HEMT GaN技術特性優勢明顯
創新的結構設計讓HEMT GaN功率器件可以在極高的dv / dt（>100 V / NS）條件下進行開關，同時具有低振鈴和小反向恢復。清潔和快速過渡大大降低開關損耗，從而提高了高頻應用中的效率，通過使用較小的磁性元件，可實現更高的功率密度。尤其是Transphorm公司600V的GaN功率晶體管的推出，使得之前不切實際的非常規電路能夠得以實現。此外，來自這些高性能GaN-on-Si HEMT的同步低導通電阻和低反向恢復電荷，具有低共模EMI的出色特性，這種基于GaN的PFC具有最小數字的快速功率器件，并且為主電流提供最小阻抗的路徑，可以實現從230Vac到400Vdc電源變換達到99％的效率。
現場展示的基于HEMT器件的電源模塊方案與業界競爭解決方案的對比
在演講現場，富士通電子展示了兩款基于HEMT器件的電源模塊方案。“我們的PFC+LLC電源與類似的競爭方案相比，電路板尺寸可以縮減45%，在滿載和10%的負載下，我們可以分別提高1.7%和3%的效率。對于很多效率要求苛刻的應用來說，這是一個非常大的提升。”Eric指出。
嚴格的JEDEC認證保證創新結構安全性
“盡管性能參數很不錯，但作為系統的‘心臟’，電源模塊的設計工程師通常還是很謹慎的，到底怎么保證你這個結構的產品可靠性呢？”在聽完Eric的介紹后，現場與會工程師對HEMT氮化鎵產品的性能產生了極高的關注，但也有部分人提出類似的顧慮。“這確實是個很重要的問題，但工程師可以非常放心選擇HEMT功率解決方案，我們600V的氮化鎵產品是第一個也是目前唯一一個通過JEDEC業界認證的氮化鎵產品。”Eric介紹道。
獨特的性能優勢、更小的電路板尺寸受到與會者的關注
據Eric介紹，要通過這個認證，需要通過一系列的嚴格測試，比如高、低溫測試、高濕測試。每個測試項要經過77個產品的檢測，放在三個不同的地方做這些不同的測試，而且必須是全部231顆芯片完全沒有問題才能通過該認證。“可靠性是電源工程師非常重要的指標。我們做了那么多實驗都完全沒有問題，所以我們產品的可靠性也獲得了全球客戶的信賴。”Eric對現場工程師和媒體表示。
事實上，Transphorm已經實施了美國最先進的質量管理體系，并通過了ISO 9001：2008認證，所有產品均符合JEDEC標準 JESD47。作為唯一一家通過JEDEC認證的氮化鎵產品，Transphorm展示了高電壓GaN功率器件固有的生命周期性能，電場和溫度加速測試已經證明了在600V（HVOS測試超過1,000伏，150°C）條件下超過1,000萬個小時的續航時間，以及在200°C的結溫條件下，超過1,000萬小時的壽命。
兼顧高壓與低壓，技術創新進行時
Transphorm依據基本發展路線圖進行開發，首先是合格的600 V器件和1000V器件。Transphorm的研究和開發還在繼續，現在推出了600V的擴展系列，采用更低的R（ON）設備和高功率封裝（含模塊），然后是繼150V器件之后的1200 V器件。據Eric透露，今年會推出900V和1200V的產品，低壓方面會提供150V的產品。據悉，未來Transphorm還將推出代替Cascode的E-Mode創新結構技術，將會把當前結構中存在的不利因素解決掉，實現更卓越的功率器件性能。將提供更大功率的產品，從2014年推出第一顆TO240，電流從30、40，逐步往60、70、80的方向發展。
