氮化镓在“双碳”背景下的高转换效率应用

随着化石能源的枯竭和绿色产业的兴起，新能源汽车已成为未来的主要发展趋势。据GaNPower官方介绍，该系列氮化镓功率器件的开关速度是碳化硅功率器件的10倍，非常适合构建电动汽车充电器和电机驱动的功率转换器，从而提高电动汽车的续航里程，减少碳排放。

在“双碳”的发展趋势下，能源转换效率已成为各行各业关注的焦点。根据国家统计局的公开信息，2020年城乡居民总用电量为10949亿千瓦时，单户家庭年平均用电量为780千瓦时。以能源转换效率提高1%为例，全国每年可节约109.5亿千瓦时，单户家庭可节约1400万年。转换为电动汽车里程，ModelS可充电1.68亿次，里程672亿公里，可见提高转换效率的重要性。

氮化镓对“双碳”有什么作用？

“双碳”的重点是解决能源问题，而能源的重点是电力。氮化镓作为高转换效率、宽禁带半导体材料的代表，在输配电、用电、储能等环节具有重要意义。低开关损耗特性使氮化镓功率器件更有利于节能减排，高频特性也促进了系统向高功率密度的发展。氮化镓已成为绿色经济发展的驱动力。在“双碳”的背景下，氮化镓逐渐与更多的行业相遇。

氮化镓具有高光效率、高功率、高频率、耐高温、相同功率下氮化镓体积小于硅基产品等特点。在碳中和和和碳峰值的推动下，充分应用于照明、电机驱动、数据中心、汽车、风景电储存等领域。它在构建高效能源系统和控制化石能源总量方面发挥了重要作用。

降低成本，提高工作电压，氮化镓上车继续加速

随着化石能源的枯竭和绿色产业的兴起，新能源汽车已成为未来的主要发展趋势。然而，经过多年的发展，AON7403硅功率半导体的潜在性能已经达到瓶颈，需要更高效的功率半导体材料来提高新能源汽车的性能。氮化镓在高效、低能耗、高功率密度方面正好能满足这一要求。

虽然氮化镓功率器件集成了各种高性能特性，但在汽车应用中仍存在一些问题。根据氮化镓目前的技术水平和材料特性，氮化镓功率器件主要应用于800V以下的中低压领域，与汽车逆变器的高压需求存在一定差距。

今年4月，比利时IMEC研究实验室通过1200VGaN-on-QST延伸技术，成功将氮化镓的工作电压提高到1200V。该技术主要在200mmQST衬底上为水平晶体管增加了更厚的延伸氮化镓缓冲层，可用于1200V汽车应用，通过该技术将氮化镓功率器件的硬击穿电压提高到1800V，打破了氮化镓只适用于中低压应用的思维枷锁，大大提高了功率器件的稳定性。

据IMEC高级业务开发经理DenisMarcon介绍，这款功率器件最关键的一点是可以在200mm晶圆厂大规模生产COMS工艺，成本优势很大。

经过验证，高压氮化镓有望成为开关电源的首选

今年10月，GaNPower正式向外界展示了首款1200V单芯片E型氮化镓功率器件，并在7A/800V双脉冲测试板上验证了功率开关。该系列芯片提供了两种封装方式，以满足不同的应用需求。GPIHV30DFN采用8*8DFN内置引脚封装，GPIHV30DP5L采用TO263-5封装。由于GPIHV30DFN采用DFN封装方式，GaNPower将S-D爬电距离设置为2.8mm，以保持足够的安全距离，以保证功率器件在高压下开关的可靠性。同时，GPIHV30DP5L封装采用GaNPower独特的专利设计，为设备增加凯文接线和小输入电容，降低浪涌电压。

该系列芯片的额定击穿为1200V。为了保证芯片工作的稳定性，GaNPower在芯片设计中增加了150V的电压余量，避免了工作过程中瞬态峰值击穿元件。同时，该系列芯片的导通电阻Rds为60Ω，通过低导通电阻降低系统损耗，提高系统转换效率。

在汽车应用中，汽车的DC母线电压通常在700~800V之间，功率器件的额定电压需要达到1200V，该系列芯片正好满足这一要求。据GaNPower官方介绍，该系列氮化镓功率器件的开关速度是碳化硅功率器件的10倍，非常适合构建电动汽车充电器和电机驱动的功率转换器，从而提高电动汽车的续航里程，减少碳排放。

随着氮化镓市场的逐步扩大，越来越多的制造商带着价格较低的硅基氮化镓进入市场。随着工艺的升级，氮化镓的额定工作电压化镓有望成为20V至1200V工作电压的首选。

10月，GaNSystems和EPowerlabs共同推出了基于氮化镓48V移动应用的DC/DC转换器DC48-1K。

DC48-1K是一种48VDCDC电源转换器，可用于消费、工业和汽车领域。GS61008P采用Ganstems100V氮化镓功率晶体管GS61008P，GS61008P采用专利IslandTechnology和GanPX封装，其中IslandTechnology技术可以提高芯片的电流流通。GanPX技术可以小型化芯片，降低系统的寄生参数，降低开关损耗50%，提高系统转换效率，最大限度地提高电能利用率。

根据官网数据，DDC48-1K的DC输入电压范围为24V~60V，额定输出功率可高达1000W。系统转换效率在一般工作状态下可保持在95%以上，在满载运行时，系统效率可提高到97.5%，高于同类转换器效率的4%。与此同时，该电源转换器通过氮化镓高效、小尺寸的特性，通过体积压缩到传统转换器的1/3，将设备功率密度提高到28W/in3，解决了移动应用中空间小的物理极限。在重量方面，由于采用了无壳设计，再加上基于氮化镓高效的特性，元件用量大大降低，产品重量仅为345g，相同功率的冷风DC/DC电源转换器重约750g，比DDC48-1K轻。

氮化镓电源转换器高效、高功率密度、轻质，非常适合优化电动汽车、工业电动运输设备和机器人的电力系统，提高能源利用率，达到节能减排的目的。

结语

在“双碳”的背景下，新能源汽车、光伏逆变器、充电桩等绿色能源产业规模不断扩大，市场对高效功率设备的需求显著增加。随着氮化镓工作电压的增加，应用领域也得到了扩大。此外，低成本硅基氮化镓进入市场，氮化镓已成为替代高成本碳化硅的可能性，市场有巨大的上升空间。