纬湃携手英飞凌，可否加速氮化镓上车？
最近，纬湃科技和英飞凌在氮化镓领域传来最新进展。纬湃科技将采用英飞凌CoolGaN™晶体管来打造功率密度更高的12V DCDC转换器。
据悉，本次纬湃科技基于氮化镓设计的DCDC为其Gen5系列，采用隔离式半桥拓扑结构，包括一个基于氮化镓的全桥、一个完全隔离的变压器和一个适用于各个相的有源整流器。转换功率为3.6kW，功率密度提升至4.5kW/L。与液冷Gen5系列相比，转换效率超过96%。开关速度也从100kHz提高至250kHz以上。并且采用被动冷却方案。因此在提升功率密度的同时，还可以实现成本降低的可能。
采用的氮化镓产品为英飞凌的CoolGaN™晶体管，电压等级为650V，采用顶部散热的TOLT封装。其他参数方面，导通电阻为50毫欧，瞬态漏极至源极电压为850V，IDS,max和IDSmax,pulse分别为30A和60A。虽然氮化镓电压上限为650V，但通过串联切换两个相位的方式，该DCDC可以支持800V平台的电压转换。
英飞凌CoolGaN™
但目前为止，纬湃科技和英飞凌均未进一步透露终端客户情况。
01.
氮化镓何时上车
作为第三代半导体的两个重要分类，氮化镓在汽车上的应用显然要比碳化硅要慢的多。
其实早在2010年左右，GaN HEMT就出现在产业界的视野中。与碳化硅相比，氮化镓在同等漏源导通电阻情况下，拥有更快的开关能力。也就意味着FOM值表现更好。尤其是在高频应用中，表现更好。本次纬湃科技氮化镓DCDC的工作频率从100kHz提升到250kHz也说明了这一点。
此前上海慕尼黑电子展期间，英飞凌展示其基于氮化镓开发的OBCdemo产品，现场的工程师告诉NE时代，采用氮化镓器件后，功率频率得以大幅提升，最大可到500kHz。对应的便可以减少变压器器件的用量，进而降低系统的成本。（详情可查看NE时代新能源，NE带您云逛展 英飞凌展台 第二部分视频内容）。
当然氮化镓也有自身的局限性。目前主要两个原因制约了其在汽车上的应用。一是其自身成本，二是功率限制。成本主要来源于技术限制，尤其是上游材料的制备，氮化镓只能通过气体反应合成，而粉末氮化镓只能通过氨气流中以1000度以上的温度加热金属镓半小时才能形成。功率限制主要是氮化镓目前难以实现大尺寸的芯片生产。因此目前氮化镓在射频、消费电子等高频小功率领域应用较多，而在汽车这类大功率要求的的领域则进展缓慢。
此外，在汽车行业，目前基于氮化镓的产品还处于研发阶段，此前英飞凌曾表示，氮化镓大规模上车预计在2026年左右实现。
02.
哪种方案将会胜出
目前迫切需要解决的是其功率方面的限制，以及合适的驱动芯片。目前的方案主要四种方案。
回到氮化镓器件的结构本身，下图是典型的耗尽型氮化镓HEMT结构。可以看出氮化镓是横向器件，即源级、门级和漏极都在芯片的上表面。
在氮化镓和AlGaN界面处会形成2DEG通道，电流就从该通道经过。由于2DEG通道是自然形成的，因此整个氮化镓处于常开状态，若想要关闭，就需要给栅极施加负电压，从而耗尽沟道内电子。因此称之为D-mode。
由于耗尽型氮化镓为常开，但实际工作中要求功率器件常闭。因此就需要将耗尽型氮化镓优化为常闭，目前主要有两种方案，主要包括级联（Cascode）和直驱（Direct Drive）。其中级联型的D-mode GaN是通过利用低压Si MOSFET的开关带动整体的开关，从而将常开型变为常关型。
级联型D-mode，图源：纳芯微
级联型D-mode的优势在于兼容目前的硅基的驱动电路，采用0V/12V驱动控制。但由于氮化镓的工作频率远高于硅基，因此半桥中点的电位会产生较高的dv/dt跳变，进而产生在驱动芯片内部产生共模电流，对信号造成干扰。
共模干扰传播路径，图源：纳芯微
因此在选择氮化镓驱动芯片时共模瞬变抗扰度（CMTI）便是其非常重要的一个指标。目前包括Visic、安世半导体在内推出的是级联型的D-mode GaN方案。国内芯片企业纳芯微推出的NSD1624、NSI6602V/NSI6602N驱动芯片也均是针对级联型的D-mode GaN。
直驱D-mode方案主要来自于TI。其内部集成了负压buck-boost电源产生-14/0V电平进行关/开的控制。与级联型D-mode相比，虽然内部也串联了硅基器件，但芯片正常工作工作上电后硅基器件会始终能够导通。
图源：《玩转GaN氮化镓功率器件(2)---D-Mode vs. E-Mode》 泡瓦伊莱克超尼克斯
氮化镓的另外一个分支是增强型E-mode。不同于级联型D-mode器件，E-mode不需要串联硅基部件，而是直接对GaN栅极进行p型掺杂来修改能带结构，改变栅极的导通阈值，从而实现常断型器件。
根据栅极结构不同，E-mode GaN又分为欧姆接触的电流型和肖特基接触的电压型两种技术路线。
电流型E-mode技术被英飞凌所采用，一定程度上解决了电压型驱动面临的低电平阈值、窄电平范围的限制。但由于特别的栅极特性，因此驱动也非常复杂。
目前主流的E-mode器件为电压型，如GaN system，ST等等。值得一提的事，GaN system去年已经被英飞凌收购。
电压型E-mode GaN结构，图源：纳芯微
电压型E-mode GaN的优势在于低的开关损耗以及EMI噪声。和级联型D-mode相比，氮化镓自身优势的开关特性也不会被影响。但存在的问题主要是驱动电压范围较窄，开启阈值也很低，对驱动回路的干扰与噪声会比较敏感，容易造成误开甚至栅极击穿。
E-mode GaN和Si Mos驱动电压对比，图源：纳芯微
End.
氮化镓因其高频特性优势一直备受关注，但目前距离上车仍有一段距离。一是其自身方案尚未统一确定，二是下游客户产品需要一定时间。从进展来看，OBC、DCDC等低功率部件上车的速度要快于主驱，预期目标在2026年之后实现上车。目前来看，电压型的E-mode和级联型D-mode都有很大机会胜出。除了OBC、DCDC这些小功率产品外，相关企业也在探索主驱应用的可能，比如Hofer、上海电驱动等都有相关产品推出，甚至与三电平结合以充分发挥氮化镓的特性。只是在如今“价格战”的背景下，氮化镓作为新生技术是否有足够的潜力来应对挑战依然是个很大问题。
