電子發燒友網報道（文/李誠）在“雙碳”的發展趨勢下，能源轉換效率已成為各行各業關注的焦點。據國家統計局公開信息顯示，2020年城鄉居民總用電量10949億kWh，單戶家庭年平均用電量780kWh。以能源轉換效率提升1%為例，全國一年可節省電量109.5億kWh，節省下來的電量可供單戶居民用電1400萬年。換算成電動車行駛里程數，可供Model S充電1.68億次，行駛里程672億公里，由此可見提升轉換效率的重要性。

氮化鎵對“雙碳”起到什么作用？

“雙碳”提出的重點是解決能源問題，而能源的重點就是電力，氮化鎵作為高轉換效率寬禁帶半導體材料的代表，應用于輸配電、用電、儲能等各個環節中意義重大。低開關損耗特性使得氮化鎵功率器件更有利于節能減排，高頻的特點也推動了系統向高功率密度的發展。氮化鎵已成為了綠色經濟發展的驅動力，在雙碳的背景下，氮化鎵逐漸與更多產業產生交匯點。

氮化鎵有高光效、高功率、高頻率、耐高溫，在相同功率下氮化鎵比硅基產品體積小等多個特點，在碳中和、碳達峰的推動下在照明、電機驅動、數據中心、汽車、風光電儲等領域得到了充分應用。在構建高效的能源系統，控制化石能源總量方面起到了重要作用。

成本降低、工作電壓提高，氮化鎵上車持續加速

隨著化石能源日益枯竭與綠色產業的興起，新能源汽車已成為未來的主要發展趨勢，但由于經過多年的發展，硅功率半導體的潛在性能已被開發至瓶頸，需要更高效的功率半導體材料來提升新能源汽車的性能。在高效、低能耗、高功率密度方面，氮化鎵恰好能滿足這一要求。

盡管氮化鎵功率器件集合了多種高性能的特性，但在汽車的應用中依然會面臨一些問題。根據氮化鎵目前的技術水平和材料特性來看，氮化鎵功率器件主要應用在800V以下的中低壓領域，與汽車逆變器應用的高壓需求存在著些許差距。

今年4月，比利時的IMEC研究實驗室通過1200V GaN-on-QST外延技術，成功將氮化鎵的工作電壓提升至1200V。該技術主要是在200mm QST襯底上為橫向晶體管加入了更厚的外延 氮化鎵緩沖層，可用于1200V的汽車應用中，并且通過這一技術還將氮化鎵功率器件的硬擊穿電壓提升至了1800V，打破了氮化鎵只適用于中低壓應用的思維桎梏，極大地提高了功率器件工作的穩定性。

據IMEC的高級業務開發經理Denis Marcon表示，這款功率器件最關鍵的一點是：可在200mm晶圓廠中采用COMS工藝進行大批量的生產，極具成本優勢。

高壓氮化鎵得以驗證，有望成為開關電源的首選

圖源：GaNPower

今年10月，GaNPower正式向外界展示了首款1200V單芯片E型氮化鎵功率器件，并將該功率器件中在7A/800V的雙脈沖測試板上進行了功率開關的驗證。該系列芯片提供了兩種封裝方式，以滿足不同的應用需求，GPIHV30DFN采用的是8*8 DFN的內置引腳封裝，GPIHV30DDP5L采用的是TO263-5封裝。由于GPIHV30DFN采用的是DFN的封裝方式，為保證功率器件在高壓狀態下開關的可靠性，GaNPower將S-D爬電距離設置為2.8mm，保留了充足的安全距離。同時，GPIHV30DDP5L封裝采用了GaNPower獨特的專利設計，為器件加入了凱文接線和小型輸入電容，用以降低浪涌電壓。

該系列芯片的額定擊穿為1200V，GaNPower為保證芯片工作的穩定性，在芯片設計時提高了150V的電壓裕量，避免在工作過程中出現瞬態尖峰擊穿元件。同時，該系列芯片的導通電阻Rds為60Ω，并通過低導通電阻的方式降低系統損耗，提高系統的轉換效率。

在汽車應用中，汽車的直流母線電壓通常在700~800V之間，功率器件的額定電壓需要達到1200V，該系列芯片恰好滿足這一要求。據GaNPower官方表示，該系列氮化鎵功率器件的開關速度比碳化硅功率器件快10倍，非常適用于構建電動汽車車載充電器和電機驅動的功率轉換器，從而提高電動汽車續航里程，減少碳排放。

伴隨著氮化鎵市場的逐漸擴大，有更多的廠商帶著價格更低的硅基氮化鎵進入市場，加上工藝的升級，氮化鎵工作額定電壓得以提高，氮化鎵有望成為工作電壓為20V至1200V應用的首選。

97.5%效率的48V DC/DC轉換器

10月，GaN Systems和EPowerlabs通過合作，共同推出了基于氮化鎵48V移動應用的DC/DC轉換器DDC48-1K。

圖源：GaN Systems

DDC48-1K是一款可在消費、工業和汽車領域應用的48V DC/DC電源轉換器，采用了GaN Systems 100V的氮化鎵功率晶體管GS61008P，GS61008P采用了獲得專利的Island Technology和GaNPX封裝，其中Island Technology技術能夠提高芯片的電流流通量，GaNPX技術能夠將芯片小型化的同時，降低系統的寄生參數，將開關損耗降低了50%，提升系統的轉換效率，從而實現電能利用率的最大化。

據官網數據顯示，DDC48-1K的直流輸入電壓區間為24V~60V，額定輸出功率可高達1000W。在一般工作狀態下系統轉換效率能保持在95%以上，在滿載運行時，系統效率可提升至97.5%，高出同類轉換器效率的4%。同時這款電源轉換器通過氮化鎵高效、小尺寸的特性，經體積壓縮至傳統轉換器的1/3，設備功率密度提升至28W/in3，解決了在移動應用中，空間小的物理極限。在重量方面，由于采用了無外殼的設計，再加上基于氮化鎵高效的特性，使得元器件用量大幅降低，產品重量僅為345g，相同功率的冷風DC/DC電源轉換器重約750g，兩者相比DDC48-1K更輕。

高效、高功率密度和質量更輕的氮化鎵電源轉換器，非常適用于優化電動汽車、工業電動運輸設備和機器人等應用的電力系統，從而提升能源利用率，實現節能減排的目的。

結語

在“雙碳”的背景下，新能源汽車、光伏逆變器、充電樁等綠色能源產業規模不斷擴大，市場對高效的功率器件需求大幅提升。隨著氮化鎵工作電壓的提升，應用領域也得以拓展，加上低成本的硅基氮化鎵進入市場，氮化鎵替代成本較高的碳化硅已成為可能，市場上升空間巨大。