GaN行业“诸神乱斗”，罗姆如何找到自己的天空？

shuszhao · 发表于 2024-2-2 17:51:36

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作为宽禁带半导体家族中的一员，氮化镓(GaN)功率器件近两年获得了比之前更高的关注度，正逐渐成为第三代半导体材料中最耀眼的一颗新星。根据Yole预测，到2028年，GaN功率器件市场的价值将从2021年的1.26亿美元增长到20.4亿美元，年复合增长率高达49%，消费电子、汽车、电信、数据通信等应用对其青睐有加。

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2022-2028 GaN功率器件市场(图源：Yole)

Si、SiC和GaN定位比较

氮化镓和碳化硅(SiC)同属第三代半导体，相比硅基半导体(Si)，具有禁带宽度更宽、高耐压、热导率、电子饱和速度更高的特点，能够满足现代电子技术对半导体材料提出的高温、高功率、高压、高频要求。而相对于SiC在高耐压和大工作电流方面具有的优势，GaN有望在100-600V中等耐压范围内，凭借更加出色的禁带宽度、击穿场强和电子饱和速度，实现低导通电阻和高速开关(高频率工作)性能。

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功率器件的适用范围

针对要求小型化、低功耗的5G和PD快充适配器等产品，仅凭目前主流半导体材料Si已无法满足需求，这使得包括GaN HEMT(High Electron Mobility Transistor, 高电子迁移率晶体管)在内的新型功率半导体必不可少。与Si相比，GaN具有低导通电阻、高速开关等优异特性，在同样需要节能和小型化的应用中，它也可以满足一次电源(服务器、适配器、普通电源)市场的需求。

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一次电源市场需求

因此，从总的应用趋势看，得益于开关速度快、高频和高功率密度等主要优势，目前，80V-650V区域是GaN的天下，手机、笔记本电源适配器、家电是主要应用领域；1200V-6500V的高压部分更适合碳化硅(SiC)，电动汽车、新能源、轨道交通、电网等是其核心市场；而在两者之间则是GaN和SiC可以共存的市场，主要包括数据中心、电动车等。
罗姆半导体(北京)有限公司技术中心总经理水原德健认为，除了消费领域，工业和数据中心应用已成为GaN增长的催化剂。在这些应用中，巨大的功耗已成为一个亟待解决的问题，而在电源中使用高电源转换效率的GaN可以显著减少能源消耗，同时满足缩小应用尺寸和厚度的行业发展要求，为节能环保做出贡献。

什么是EcoGaN™？

EcoGaN™是罗姆开发的GaN器件关联系列产品的品牌，不仅包括GaN HEMT单品，还包括搭载GaN的、内置控制器的IC产品。
早在2006年，罗姆就开始研发氮化镓产品。历经20年左右的持续研发，2021年，罗姆确立了8V栅极-源极额定电压技术的150V GaN器件技术；2022年，罗姆首次量产第一代EcoGaN™系列150V耐压的GaN HEMT；2023年4月，罗姆又量产了650V耐压GaN HEMT，实现了对150V和650V GaN分立式器件的全覆盖。
“成功地将栅极-源极额定电压从普通GaN产品的6V提高到8V，提升了GaN器件电源电路的设计裕度和可靠性”，是罗姆GaN产品的独特优势之一。水原德健表示，GaN的驱动电压通常为5V，与普通GaN 6V额定电压之间的余量差仅为1V，杂波等各种问题常会影响可靠性。过去，工程师们普遍通过增设电容来解决过充的额定电压，但这种方式需要外置9颗器件，不但增加了额外的设计工作负担，也使系统成本居高不下。
同时，为了最大限度地提高GaN HEMT的低损耗和高速开关性能，并在应用中实现稳定的性能，除了器件本身鲁棒性之外，还需要能够提供稳定控制的专用IC。以罗姆最具代表性的超高速驱动栅极驱动器IC BD2311NVX-LB为例，通过最小栅极输入脉宽为1.25纳秒(ns)的高速开关，助力应用产品实现小型化、进一步节能和更高性能。此外，为了进一步减少应用产品的开发工时，ROHM还在官网上提供了配备BD2311NVX-LB、150V GaN和高输出功率激光二极管的LiDAR用参考设计。

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LiDAR用参考设计

可能不少人对“1.25ns脉冲宽度”没有太深的概念，但如果跟以往的9ns控制脉冲宽度数据相比，就能理解进步是如此巨大。“提高控制IC的速度已成为亟需解决的课题。”水原德健说，得益于超高速脉冲控制技术“Nano Pulse Control™技术，罗姆成功地将控制脉冲宽度从以往的9ns缩短到2ns以内的业界超高水平，并通过与GaN HEMT组合实现了高速开关。采用该技术的DC-DC控制器IC和EcoGaN™ 电源电路比普通产品的安装面积减少了86%，适用于基站、数据中心、FA设备和无人机等众多领域，将为实现应用的显著节能和小型化做出贡献。

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GaN器件与Si器件电源电路尺寸比较

了解GaN HEMT的人士应该都比较清楚，与Si MOSFET相比，GaN HEMT的栅极处理很难，必须与驱动栅极用的驱动器结合使用。为了客户更好更方便地应用氮化镓，罗姆结合所擅长的功率和模拟两种核心技术优势，开发出了集功率半导体—GaN HEMT和模拟半导体—栅极驱动器于一体的Power Stage IC“BM3G0xxMUV-LB”。该产品的问世使得被称为“下一代功率半导体”的GaN器件轻轻松松即可实现安装。

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EcoGaN™ Power Stage IC

新产品中集成了新一代功率器件650V GaN HEMT、能够更大程度地激发出GaN HEMT性能的专用栅极驱动器、新增功能以及外围元器件。另外，新产品支持更宽的驱动电压范围(2.5V-30V)，拥有支持一次侧电源各种控制器IC的性能，因此可以替换现有的Si MOSFET。与Si MOSFET相比，器件体积可减少约99%，功率损耗可降低约55%，因此可同时实现更低损耗和更小体积。
但这并不是罗姆GaN产品的“终点”。水原德健介绍说，今后，随着GaN器件的性能的进一步提高和阵容扩充，罗姆将持续推进用于驱动GaN HEMT的、内置控制器的器件和模块的开发，进一步加强电源解决方案。

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EcoGaN™相关产品的产品路线图

这其中就包括：具有低导通电阻和高速开关性能的产品——150V耐压产品(第二/三代)；内置驱动器和控制器的GaN模块；650V耐压的新封装(TOLL封装)产品等。而在Power Stage IC产品方面，罗姆计划2024年量产搭载伪谐振AC-DC电路或功率因数改善电路、以及搭载半桥电路等产品。并且，截至2026年，计划陆续量产将GaN HEMT、栅极驱动IC、控制IC集成在同一封装的产品。

结语

目前，不少国际头部公司在第三代半导体器件布局上采取了“双管齐下”的策略，即同时关注碳化硅和氮化镓，罗姆公司也不例外。这一战略带来的竞争优势是不言而喻的，尤其在系统级应用中同时使用硅、SiC和GaN技术时，可以实现更高的能效、功率密度和整体性能，有助于功率电子系统瘦身减重，更易于集成到各种应用中，且成本适当。