【导读】日前，PI宣布其PowiGaN氮化镓技术额定电压已提升至2200V，再一次刷新了商用氮化镓的耐压记录。该技术标志着GaN（氮化镓）进入了更高耐压水平，也标志着GaN正在将应用范围扩展到了传统上由SiC（碳化硅）主导的领域。“电压越高，我们看到的竞争对手就越少。”PI首席技术培训师Jason Yan说道，“我们现在不是同GaN厂商竞争，而是在跟SiC竞争。”
2200V的新市场入场券
Yole Group给与了PI 2200V产品高度评价，化合物半导体技术与市场分析师Roy Dagher博士指出：“以往受电压规格限制，氮化镓器件较少应用于主功率变换应用，该场景多采用碳化硅方案。2200V电压等级的氮化镓技术可为主功率级单级拓扑设计提供充足裕量，适配行业正在推进的1500V数据中心与新能源汽车硬件设计。结合行业测算，功率氮化镓器件市场规模预计将于2031年达到35亿美元，高压等级氮化镓技术的落地应用，将成为行业规模增长的重要推动力。”
根据PI给出的指引，2200V GaN拥有超过10亿美元以上的市场机会，这对于PI而言是重要的市场前景。根据最近的财报显示，工业和汽车业务营收同比增长10%，环比增长14%，彰显了快速发展的机遇。
Jason列出了2200V高压GaN的几个重要预期市场，包括1500VDC母线的数据中心、1500V车用1MW充电器、1200V车规辅助电源、1500V光伏与储能以及高压直流输电辅助电源等市场，在这些市场中，以往都是高压SiC或者IGBT所占领。
“高压GaN取代SiC的逻辑不只是成本。”Jason认为，GaN的价值远不如此，而是高频高效率带来的系统级优势。
首先，是更优的开关性能指标（FOM）。在反向恢复、开关能量、开关速度以及死区时间损耗等方面，GaN相较SiC具有一定优势。
其次，是更好的热分布能力。随着频率及效率的提高，发热自然会降低，这可以有效改善系统的热管理。
第三，是更高的系统功率密度。由于这类变换器能够采用更高的开关频率，因此可以显著缩小系统中的无源器件和散热器尺寸，从而提升整体系统密度。
第四，是更低的系统成本。这不仅包括通过采用表面贴装器件降低制造成本，还包括显著减少电磁干扰（EMI）相关器件、缩小磁性滤波器尺寸，并降低散热系统成本。
第五，是高可靠性。在反激电源中，功率开关承受的不只是输入母线电压，还包括由变压器副边反射回原边的电压以及漏感尖峰。因此随着母线电压和低压输出电压提高，器件所需耐压会明显高于母线本身，高耐压器件能够为这些瞬态留下更大的设计裕量。
值得注意的是，此次PI仅仅发布了2200V高耐压GaN技术，尚未推出任何产品，但PI也给出了开关验证实验数据。2200V PowiGaN关断态击穿电压>4kV，尚有2000V电压裕量，另外，首次展示了在峰值电压超过1500V条件下的连续开关运行超过20小时，RDSon没有变化，也验证了产品的稳定温升特性。
关于未来的产品，PI并没有给出过多的透露，只是表示将适用于不同的功率范围、拓扑架构以及集成度选项，这意味着2200V产品还会面临四大挑战。
首先是功率等级。目前PI主做辅助电源等小功率应用，如果未来产品从几十瓦扩展到1kW、3kW甚至更高功率，器件的电流、热设计和封装条件都会发生变化，需要重新验证。
第二个是拓扑。辅助电源可能采用flyback，而主电源可能采用LLC等拓扑。不同拓扑下，器件承受的电压、电流和开关应力不同。
第三个是集成度。未来PI可能既有高度集成的产品，也可能推出集成度较低、给客户留下更大设计自由度的器件。
第四则依然是可靠度验证，尽管目前PI已经做了一些验证，但距离高压量产验证还差得远。不过根据Jason的说法，2018年以来，基于PowiGaN技术的功率转换IC出货量已超过2亿颗，FIT<1，是值得信赖的合作伙伴。
PI的创新产品哲学
Jason也坦言，对于高压的电力电子设备而言，对于可靠性的要求极高，并不敢于尝试新的技术，毕竟一个系统因为一个小器件而损坏会影响产品信誉。“但总有第一个要试的。”Jason说道，“目前2200V Gan有些适度超前，但这有助于保持PI领先地位，总要有一个标杆，持续给竞争对手压力，总会有客户愿意尝试创新，从而获得竞争优势。”
PI把这一思路称为“future-proofing”：今天先把技术能力准备好，当客户未来开始设计更高电压的平台时，器件已经具备相应条件，让客户有更多选择。
如果把Power Integrations这些年的GaN路线拉长来看，2200V并不是一次突然的技术冒进。
PI一直有一种很鲜明的产品哲学：真正有价值的创新，不是把市场现有产品性能提高一点，而是提前几年准备客户未来才会需要的能力，多年以来，PI的PowiGaN以及Fluxlink隔离等多项技术，正是这种思路最集中的体现之一。
在很多功率半导体公司的传统划分中，GaN长期主要集中在650V附近的高频电源，继续向1200V、1700V甚至更高电压扩展以后，SiC通常成为更自然的选择。
PI却很早就开始挑战这条边界。从900V PowiGaN开始，PI就已经明显走出了传统650V GaN的主流区间。随后是1250V、1700V，如今又进一步来到2200V。
这几个电压节点并不是彼此孤立的产品升级，而是一条非常连续的高压路线：900V开始突破传统GaN耐压边界，1250V进入1200V级宽禁带市场，1700V进一步进入SiC长期占据优势的高压区域，而2200V一下子领先对手至少两代。
一直以来，PI就坚信GaN要超越SiC这一愿景，在PI的见解中，100KW以内市场都将是GaN的主力方向。
越来越多的1kW至10kW应用将可以通过氮化镓得以实现（而这些应用以前都是MOSFET和碳化硅的天下），而且不会止步于此。目前，氮化镓的功率范围上限约为7-10kW，这还不足以满足电动汽车逆变器市场（潜在市场规模最大的单一功率IC应用）的需求，但只需再提高10倍，电动汽车的功率水平就能达到几百千瓦，而在高科技领域达到10倍的功率水平只需几年时间。
横向氮化镓也能做2200V
从器件结构看，垂直GaN天然更容易向高压扩展。横向GaN需要通过拉长栅漏间距来分散更高的电场，耐压提高往往伴随芯片面积和导通电阻上升。垂直GaN则可以利用芯片厚度方向的漂移区承担高压，使耐压主要沿纵向扩展，而电流能力主要通过芯片面积扩展。因此随着电压进入千伏级，垂直结构通常被认为更适合继续向高压、高功率发展。
尽管PI此前收购了垂直氮化镓公司Odyssey，但截至目前，PI仍然采用横向GaN，并不断突破耐压极限。Jason表示，PI通过专用的蓝宝石衬底，本身具有很高的绝缘性，在横向高压器件中，衬底不参与导电，可以降低经由衬底形成高压漏电路径的可能性，为器件进一步提高阻断电压创造条件。相比于更流行的GaN-on-Si技术中，超过900V以后需要越来越厚的缓冲层，工艺难度和成本将显著增加。
这种思路也和PI特殊的制造模式有关。PI并不拥有完整的晶圆制造体系，但也不是简单地从Foundry购买一套标准工艺生产产品。PI的大量功率器件依赖自有器件结构、自定义工艺Recipe和长期积累的工艺Know-how，晶圆制造虽然交给合作伙伴，但实际运行的是针对PI产品开发的专用工艺，部分关键生产设备甚至也由PI掌握。
某种程度上，这是一个“Fabless，却深度控制器件和工艺”的模式。如果仅仅是通用产品，PI无法与IDM们竞争，也正因此PI一直围绕高集成方案进行开发，而对于GaN功率器件而言，更高耐压的产品也是其差异化的专注点。
老生常谈的D-Mode与E-Mode
Jason介绍道，PI采用了共源共栅（Cascode）D-mode架构，极大提升了稳定性。
谈到D-Mode与E-Mode之争，还是要回归到GaN HEMT本身。AlGaN和GaN形成异质结以后，由于材料极化效应，可以在界面形成高密度2DEG。这是一条电子迁移率很高的导电沟道，也是GaN能够实现低电阻、高速开关的基础。
但在最原始的GaN HEMT中，这条2DEG在没有栅极驱动的情况下已经存在。此时VGS=0，意味着器件已经导通，这就是Depletion Mode（耗尽型器件），属于常开型器件。
然而功率电子系统的特殊性，就在于功率管需要默认处于关闭状态，在驱动器没有工作、系统掉电或者发生故障。因此，产业界最终走出了两条不同的常关路线。
第一种是较为常见的E-mode，通过额外的p-GaN Gate改变Gate下方的2DEG，在VGS=0时把沟道耗尽，此时需要施加正Gate电压以后才重新导通。
另外一种则是通过级联（共源共栅）的控制方式，通过增加MOSFET，使D-mode实现了常关。两者都是目前较为成熟的技术路线，且都有长期的发展路线图规划。
PI的Cascode架构
E-mode与D-mode Cascode代表了两种不同的优化方向。E-mode减少了串联硅器件，更适合追求极低寄生、高频和单片集成；D-mode Cascode则用一颗低压硅MOSFET换取更宽松的驱动窗口、更低的第三象限压降和更接近传统MOSFET的工程使用体验。随着GaN向1700V、2200V这样的高压区域扩展，后者的价值开始被进一步放大。
第三象限也是Jason着重讲解的一点。
对于半桥应用来说，通常有上管和下管。如果采用 Cascode GaN，那么上管和下管都可以使用 Cascode 器件。半桥后面一般连接电感，而电感电流不能发生突变，因此当其中一个开关管关断之后，原来的电流仍然需要继续流动，这就是续流。
对于传统功率器件或者D-Mode的Cascode结构来说，续流过程中可以通过器件中的体二极管建立电流通路。体二极管导通时，损耗主要取决于它的正向压降。例如，假设二极管正向压降为 0.7V，电流为 1A，那么此时瞬时损耗就是 0.7W。
但E-Mode GaN 的情况不同。目前市场上的横向 GaN 大多采用增强型结构，其第三象限导通特性会受到栅极关断电压的影响。例如，假设器件在 VGS 为 0V 时，反向导通压降约为 2V；如果采用 -3V 关断，那么反向导通压降可能上升到约 5V。也就是说，E-Mode GaN 的关断驱动电压会影响其反向导通压降。假设此时电流为 1A，5V 的反向导通压降就对应约 5W 的瞬时损耗。
这种情况主要发生在半桥的死区时间内。所谓死区时间，就是上管和下管都处于关断状态的一小段时间。虽然两个开关管都没有打开，但处于续流状态，如果这一阶段的反向导通压降较高，就会带来较大的损耗，死区时间的长短也会影响半桥的整体损耗。
所谓“第三象限”，是根据器件的电压和电流方向来定义的。正常导通时，漏源电压和漏极电流都为正，器件工作在第一象限；而在续流过程中，电流方向发生反转，从源极流向漏极，同时漏源电压也变为负值，因此电压和电流都位于负方向，对应器件输出特性中的第三象限。
因此，第三象限工作本质上就是功率器件在反向电流条件下的工作状态。在半桥中，它主要出现在死区时间内，持续时间虽然很短，但由于不同器件的反向导通压降不同，仍然可能带来明显的损耗差异。
对于E-Mode GaN，是否采用负压关断需要进行仔细权衡。如果不采用负压关断，第三象限的反向导通压降可以降低，但关断裕量也会减小，在高速开关过程中可能增加误导通风险。而采用负压关断可以提高关断可靠性，但同时会提高第三象限的反向导通压降和死区损耗。
这也是 Cascode GaN 与目前市场上常见增强型 GaN 在半桥应用中的一个重要区别。
总结
从750V、900V、1250V、1700V一路走到2200V，PI始终挑战高压GaN的无人区，把产品一步步向SiC逼近。
值得关注的是，PI实现这条高压路线并没有转向垂直GaN，而是继续坚持横向GaN、蓝宝石衬底和D-mode Cascode的技术组合。
如今，GaN拥有了更多与SiC竞争的入场券，而PI的目标也非常明确，并不只是和SiC打价格战，而是通过更多的高功率密度、小尺寸等差异化特性，与SiC展开系统级竞争。
2200V技术发布只是这场竞争的起点，未来PI值得关注的不只是电压等级记录的刷新，而是产品落地后的市场表现。
