氮化镓电压上限突破至2200V

Power Integrations发布了一项2200V氮化镓开关技术，将PowiGaN氮化镓器件的电压上限提升，突破当前商用氮化镓产品的电压极限。该公司瞄准人工智能数据中心、电动汽车、光伏以及高压直流输电（HVDC）基础设施市场，这些领域正向着更高电压母线架构演进，以此实现更高功率密度。

1700V版本的PowiGaN已经应用于数据中心单级辅助电源；1250V PowiGaN用于800V直流主功率链路，厂商称相比堆叠式氮化镓方案，该器件设计更为简洁。近日，Power Integrations产品开发副总裁Roland Saint‑Pierre就2200V技术背后的工程细节展开对话，探讨蓝宝石衬底的取舍、共源共栅架构，以及该器件在开关频率、成本方面与碳化硅的对比。

问：PowiGaN采用蓝宝石衬底，这在高压氮化镓器件中并不主流。在该电压等级下，蓝宝石衬底对比硅基氮化镓（GaN‑on‑silicon），需要做哪些取舍？热性能、成本、良率方面表现如何？

答：最大优势在于电压可拓展能力。我们的产品从750V蓝宝石基器件起步，依托该衬底配合外延层工艺持续迭代，电压等级不断提升：750V、900V，如今做到2200V。代价体现在散热性能，蓝宝石导热能力并不突出。但蓝宝石本身具备绝缘特性，能够实现器件完全隔离。散热片处于源极电位，不会承受高压开关扰动，电磁干扰（EMI）更低，整机设计也得以简化。

问：PowiGaN采用共源共栅结构，而非增强型氮化镓（E‑mode GaN）。实际设计层面有哪些优势？

答：我们的氮化镓高电子迁移率晶体管（GaN HEMT）为耗尽型（D‑mode），属于常通器件，因此搭配一颗低压硅MOSFET，通过驱动MOSFET栅极实现整体通断控制。

增强型氮化镓对栅极电压十分敏感；半桥电路中，因其阈值电压偏低，往往还需要负向驱动信号。PowiGaN不存在这类问题，栅极驱动容错范围更大，无需负驱动，上手难度低，便于快速落地应用。

2200V PowiGaN关态击穿电压＞4千伏

问：氮化镓相对碳化硅，开关频率优势有多大？这能给设计师带来什么实际价值？

答：氮化镓可以工作在1MHz以上；据我了解碳化硅的上限大约在250‑300kHz。更高的工作频率可以缩小磁性元件体积，大幅提升功率密度。零电压开关LLC拓扑尤为明显，该拓扑下损耗主要为导通损耗，功率密度由磁性元件尺寸决定。

问：这项技术刚刚对外发布，2200V器件目前是否已经拿到良率数据？

答：这个问题提得很好。本次属于技术发布，并非产品发布。相关良率数据我们还在测试，不过内部关键节点已经完成，有信心推进到产品开发阶段。

问：如果企业已经在800V方案上选定碳化硅，同规格的2200V氮化镓器件成本会不会更高？

答：垂直结构氮化镓长远来看，有望在全部电压、功率等级替代碳化硅，但这并不是我们现阶段的目标。碳化硅制造工艺复杂度高，长期来看垂直氮化镓成本会更占优势。我们当前对外披露的1250V、1700V、2200V PowiGaN，是在中低功率场景下，以更优成本替代碳化硅。