氮化镓取代碳化硅？PI颠覆式1700V InnoMux2先来打个样
“为氮化镓技术树立新标杆（New Benchmark）”，一向保守的Power Integrations（PI）罕见用这么富有冲击力的标题来发表一颗新品IC——1700V额定耐压的氮化镓InnoMux2，采用公司专有的PowiGaN技术制造而成，是业界首款，也是唯一一颗1700V氮化镓开关IC。
在几天前的投资者会议上，CEO Balu Balakrishnan特别提到：“许多工业客户更喜欢在三相应用中使用更高的电压额定值，以防止浪涌和尖峰电压，尤其是在交流电网电压不稳定的地区。同时在电动汽车市场，1700 伏额定值对于 800 伏和 1000 伏电池系统中的反激式电源至关重要，而目前只有碳化硅才能解决这个问题。”
据悉，此次新品发布时，CEO更是难得一见的发表了全员信，以鼓励大家在氮化镓领域的创新，也表明了PI对此产品的自豪与重视。
日前，PI 资深技术培训经理阎金光也详细讲解了最新的InnoMux2创新之处，作为1700V氮化镓业界的首款产品，着实配得上“新标杆”这一称号。
1700V意味着什么？
对于如今大火的宽禁带半导体而言，目前普遍认知是氮化镓适合中低压而碳化硅的耐压更强，同时氮化镓的成本优势显著大于碳化硅，而通过1700V氮化镓，PI再次证明了“鱼与熊掌”可以二者兼得。
更高电压具有多项好处，随着对于功率与效率增加的需求与日俱增，电压正在不断提升，因为更高的电压意味着可以降低电流，根据功率P=I2R，可以有效减少功率传输过程中的损耗。同时，更高的耐压也可以更简单的应对电网波动。
1700V的PowiGan在1360V时可以提供80%的降额，这非常适合汽车充电器、太阳能逆变器、三相电表和各种工业电源系统等场景中，可取代昂贵的碳化硅。
PI这些年不断在耐压性方面进行革新，阎金光简要的盘点了PI近年来的创新，2018年PI就推出了集成750V耐压的氮化镓产品Innoswitch，彻底改变了手机充电器市场。2022年，PI继续推出900V耐压的产品，满足了550VDC下20%的降额，2023年推出了1250V产品，继续推高氮化镓的裕量和耐用性，但“天空才是尽头”，所以才有了如今的1700V 氮化镓。
实际上，1700V的碳化硅技术PI也有，但是阎金光表示，氮化镓在价格上更具优势，包括材料、生产工艺、切割等方面，都是全面超越了碳化硅。“碳化硅已经生产了这么多年，成本也没有降到足够低，就是因为技术瓶颈很大，反观氮化镓近年来的成功已经足够证明了。”阎金光说道。
为什么PI能做出来
在短短不到两年间，PI就多次刷新氮化镓的耐压记录，阎金光解释了PI拥有的专利技术。
和硅MOSFET一样，氮化镓也分为耗尽型（D-MODE）和增强型（E-MODE）两种，天然情况下氮化镓是常通也就是耗尽型，主要原因是GaN晶体与AlGaN（氮化铝镓）等其他材料的异质结界面上，会自然形成一个高浓度的二维电子气层。这个2DEG层具有很高的电子密度和电子迁移率，因此导电性非常强。这个特性意味着，在未施加栅极电压的情况下，电流可以在氮化镓通道中自由流动，从而使得器件在默认状态下是导通的。
为了提高安全性，需要将器件从天然的常通改造成增强型的常关，这需要复杂的工艺。但是，PI通过级联（Cascode）方法，在氮化镓下面串联了一个MOSFET，从而实现了安全可靠且简便的控制方法，这种架构也决定了可以开发出更高耐压的氮化镓。阎金光也强调，虽然串联方法下导通电阻会稍大一些，但是却能保证产品的高可靠，高耐压，这样才能发挥出氮化镓的真正优势。
“技术路线的选择非常重要，实际上当时我们推出1250V产品时，它真正能够承受的耐压达到了2100V，现在我们1700V的产品实际耐压还可以更高，所以未来依然值得期待。”阎金光说道。
InnoMux2的架构创新
除了更高的耐压，InnoMux2还有一个创新，就是在多路输出时，单芯片就可以保证每路输出的调整精度都控制在1%以内，从而无需后级稳压器，通过单极调压，将三路及以下的多路输出系统效率提高了约10%，同时还会节约器件数量及PCB面积。
总体而言，InnoMux2采用“能量多路传输”的概念，根据即时需求将能量多路传输到各个输出，可对每个输出提供精确、独立的调整。另外通过高频分批且智能的发送能量至负载电源轨上，还有效避免了变压器的低频噪声。（关于InnoMux2的架构创新，更多可参见此前文章：DC-DC变换器正在从即将消亡到开始被替代 https://news.eeworld.com.cn/dygl/ic662043.html）
另外，阎金光还提到了InnoMux-2独特的SR-ZVS技术可在多路输出的反激式电源设计中实现零电压开通（ZVS），且不需要有源钳位或任何额外器件。通过ZVS，可在1000VDC下保证开关损耗的降低。
如图所示，PI最新的1700V InnoMux2，相比此前通过StackFET串联分压实现高压解决方案相比，既实现了多路高精度输出，同时还保证了系统效率最大化以及成本和尺寸的最小化。
PI参考设计DER1053：利用InnoMux2实现60W双路输出参考设计的Demo板，格外的简洁漂亮。
根据参考设计中的实测结果，无散热片及强制风冷的自然情况下，即便是1000VDC下，InnoMux2也展现出了惊人的温度特性，温升远低于PCB上的其他组件，足见产品的超高能效。
同时，PI一直以来的隔离技术FluxLink也继续被用于最新的InnoMux2中。正如PI技术副总裁Radu Barsan所总结的：“我们快速推进氮化镓产品的研发，在不到两年的时间内实现了三项全球首创的额定耐压水平：900V、1250V以及现在的1700V。我们的新型InnoMux-2 IC整合了1700V氮化镓技术和其他三项最新创新技术：独立、精确的多路输出调整技术；FluxLink次级侧控制(SSR)数字隔离通信技术；以及几乎消除了开关损耗的不需要有源钳位的零电压开关(ZVS)技术。”
氮化镓正在成为主流
“我们开发了专有的 GaN 工艺和设备设计，考虑了成本、可靠性、易用性、电压和功率这五个关键属性，并且我们正在对每个属性进行规划。我们很早就得出结论，即使性能优越，我们的 GaN 也必须在成本上与硅竞争才能实现大规模采用。在过去六年中，我们执行了一项积极的成本削减路线图，使我们的 GaN 接近最先进的硅 MOSFET，但性能却优越得多。”CEO Balu Balakrishnan表示。
Yole Group化合物半导体部门市场活动经理Ezgi Dogmus也表示：“到2029年底，功率氮化镓器件市场规模将达到20亿美元，并将扩展到各个应用领域，与碳化硅器件相比，其成本优势更具吸引力。”
阎金光也给出了自己对市场的观察总结：目前在100W的电源市场中，氮化镓已经获胜，而在更多高功率，甚至到了100kW的应用，也在开始尝试氮化镓产品。
而现在，PI的野心不止是与硅抢夺市场，还正打算“碰瓷”碳化硅，无论是在成本还是效率方面，氮化镓确实优于碳化硅，1700V耐压也给了PI足够的勇气，未来还将继续围绕高耐压的产品与PI的独特电路控制技术进行创新组合。
“我认为我们公司的未来将是氮化镓。”Balu如是说道。
