1.簡介
氮化鎵（GaN）和碳化矽（SiC）的帶隙比矽（Si）寬，具有多個優勢，包括擊穿電壓、熱導率和電子飽和速度，使其在需要高溫、高電流、高電壓和高頻操作的半導體應用中理想化。雖然SiC在高電壓、高電流操作方面表現優越，但GaN在100V到600V的中等電壓範圍內提供更優越的擊穿場強和電子遷移率，實現了低ON電阻和快速（高頻）開關（圖1)
圖1.功率元件應用範圍
對於需要小型化和低功耗的產品，如通訊基站和電力傳輸（PD）快速充電介面卡，人們對於更小尺寸和更高功率輸出的需求不斷增長，而僅僅依靠主流矽技術很難實現。因此，氮化鎵（GaN）因其相對於矽（Si）的優越特性，如更低的導通電阻和更快的開關速度，迅速引起關注。這些特性預計將透過滿足對節能和小型化的不斷增長需求，推動主要電源市場（伺服器、交流介面卡、工業裝置電源）的市場增長。事實上，根據Yole Group的預測，氮化鎵市場預計將在2022年至2028年間以49%的年增長率快速增長，市場總規模將從2022年的1.849億美元增加至20.4億美元。
圖2. GaN器件市場狀況和優勢
除了消費電子產品，ROHM 認為工業裝置領域將成為 GaN 的重要成長市場。降低功耗是一個主要挑戰，但透過在電源中使用 GaN 以實現高轉換效率，有可能顯著降低功耗以及應用尺寸。ROHM 正在基於多年累積的廣泛半導體製程技術開發 GaN 裝置和周邊元件，以 EcoGaN™ 品牌名稱提供基於 GaN 的產品。
什麼是EcoGaN™？
ROHM的品牌名稱（圖3），用於貢獻於節能和小型化的GaN元件，EcoGaN™最大化特性以實現更低的應用功耗、更小的外圍元件和需要較少零件的簡化設計。該系列不僅包括GaN HEMT元件，還包括內建控制器的GaN裝置IC。
圖 3. EcoGaN™ 標誌
確保GaN HEMT的可靠性是實現GaN裝置廣泛採用的關鍵問題，GaN外延層的生長是GaN在Si製造技術中的關鍵要素。ROHM於2006年開始開發，並致力於透過利用為大規模生產高可靠性LED而開發的專有GaN外延層生長技術提供具有卓越可靠性的產品。
ROHM 在 2021 年建立了額定閘源電壓為 8V 的 GaN 器件技術，這是近二十年研發的精華。隨後在 2022 年大規模生產了第一款 EcoGaN™ 產品，一款 150V GaN HEMT，成功將額定閘源電壓從典型的 6V 提升至 8V，確保了設計裕度，同時提高了電力電路的可靠性。2023 年 4 月，ROHM 開始生產覆蓋 GaN 市場主要電壓範圍的 650V GaN HEMT。
ROHM不僅致力於提升GaN HEMT的效能，還開發驅動和控制GaN的產品，如閘極驅動器和控制器IC，提供友好的GaN解決方案，提升開關速度同時減少損耗。
ROHM 的 GaN 解決方案（包括周邊元件）
1. 驅動器 + GaN 裝置
除了量產能夠高速開關的 GaN HEMT，ROHM 還開發了驅動器 IC，以最大化 GaN 裝置的效能。結果是超快速開關，最小閘極輸入脈衝寬度為 1.25ns，有助於實現更小、更節能的應用。此外，ROHM 網站上提供了一個 LiDAR 應用的參考設計，結合了 BD2311NVX-LB 和 GaN HEMT 以及高功率鐳射二極體（圖 4)。
點選此處以獲取有關參考設計的更多資訊：https://www.rohm.com/reference-designs/refld002
圖 4. LiDAR 參考設計
2. GaN 裝置 + DC-DC 控制器
GaN 裝置已廣泛應用於高頻開關，但挑戰在於如何提高驅動這些裝置的控制器的開關速度。為此，ROHM 改進了其為電源 IC 培育的超高速脈衝控制技術 'Nano Pulse Control™'，透過將控制脈衝寬度從傳統的 9ns 減少到業界最佳的 2ns 來實現高速度開關。將一個利用這項技術的 DC-DC 控制器 IC（正在開發中）與電力電路中的 GaN HEMT 結合，使 ROHM 能夠將安裝面積比傳統矽電路減少 86%（圖 5）。這項技術可以應用於廣泛的領域，包括基站、資料中心、工廠自動化和無人機，為節能和小型化做出貢獻。
圖 5. 結合 DC-DC 轉換器 IC 與 GaN HEMT 的電源電路優勢
3. 整合了閘驅動器和GaN HEMT的功率階段IC
由於GaN HEMT的閘崩潰電壓低於矽MOSFET，因此需要閘驅動器，使其更容易受到閘損壞和自動導通的影響（圖6）。
圖6.獨立GaN HEMT的挑戰
為瞭解決這些問題，ROHM 利用其在功率和類比技術方面的專業知識，開發了整合氮化鎵 HEMT（功率半導體）和驅動器（類比半導體）於系統封裝中的電源階段 IC（BM3G0xxMUV-LB）。這些產品旨在簡化氮化鎵裝置的實施，因為這些裝置驅動起來具有挑戰性。
圖 7. ROHM 的 EcoGaN™ 電源級 IC 概覽
ROHM 功率級 IC 結合了 650V GaN HEMT 和專用驅動器，可最大化 GaN HEMT 效能 ― 以及其他功能和周邊元件 ― 在一個封裝中。寬廣的驅動電壓範圍（2.5V 到 30V）使其與幾乎所有的主電源控制器 IC 相容，便於替換現有的矽（超結）MOSFET。這使得同時減少元件體積和功率損失約 99% 和 55% 成為可能，實現更高效率和更小尺寸。
點選此處檢視評估板： https://www.rohm.com/products/gan-power-devices/gan-hemt-power-stage-ics/bm3g007muv-lb-product#evaluationBoard
EcoGaN™ 產品路線圖
ROHM 將持續提高 GaN 產品的效能並擴大產品線，同時開發內建驅動 GaN HEMT 的裝置和模組。未來的產品包括第二代和第三代 150V GaN HEMT，能減少導通電阻並提高切換速度，內建門驅動器和控制器的 GaN 模組，以及新的 650V TOLL 封裝變種。(圖 8)。
對於前面提到的功率階段IC，計劃在2024年進行配備準共振AC-DC電路、功率因數修正電路和半橋電路的模型的大規模生產。更重要的是，到2026年，ROHM將推出整合GaN HEMT、閘極驅動器和控制器的單一封裝產品，擴大EcoGaN™解決方案的範圍，以促進GaN技術的採用。
圖 8. EcoGaN™ — 相關產品路線圖
結論
ROHM 仍在持續擴充套件其 EcoGaN™ 系列產品，以實現更高的能源節省和小型化。透過提供解決方案，使使用者能夠最大化並輕鬆利用 GaN 裝置的潛力，ROHM 希望能為可持續社會做出貢獻。
案例研究
ROHM的EcoGaN™裝置被選中，以在全球知名的電源和變壓器製造商Delta Electronics的45W輸出AC介面卡Innergie C4 Duo中提供更高的效能、可靠性和小型化。
點選此處瞭解詳情:https://www.rohm.com/news-detail?news-title=2024-02-27_news_delta&defaultGroupId=false
圖9. Innergie C4 Duo 裝備ROHM的EcoGaN
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