当前,以SiC和GaN为代表的第三代半导体在功率器件中的渗透率正在逐年上升。根据Yole的预测,虽然Si仍是功率半导体材料主流,但今年SiC的渗透率将有望达到3.75%,GaN的渗透率达到1.0%。
和Si MOSFET相比,GaN HEMT(高电子迁移率晶体管)的开关损耗可降低65%;而相较于SiC,GaN是目前能够同时实现高频、高效、大功率的唯一材料。据测算,GaN器件可在每个变电环节减少2%~3%的电能损耗,从电站到终端负载可节电10%~15%,因而可以满足实现社会可持续发展的消费电子和工业设备电源更高的节能要求。
尽管特性优势明显,不过要在诸如5G基站和PD适配器等小型化和更低损耗的一次侧电源中使用GaN HEMT却不是一件容易的事,往往要面临两个难题:1、GaN HEMT单体的驱动电压低,只有1.5~1.8V左右,存在因误动作而处于导通状态的误启动风险;2、GaN HEMT单体的栅极耐压低,约6V左右,其最佳驱动电压范围只有4.5~6V的狭窄区间,栅极处理难度高。
因此,常见的设计中,GaN HEMT必须和栅极驱动器配套使用,而这样一来,驱动器的外置元器件数量会增多,并且带来更多寄生分量的影响,增加了电源设计难度。
面对这些课题,ROHM提出了一个创新解决方案,该公司不久前开发出一款新型的集成式功率半导体器件Power Stage IC,该器件将功率半导体GaN HEMT和模拟半导体栅极驱动器集成在一个封装内,极大的简化了安装和电源设计,可以轻松替换Si MOSFET。
目前,Power Stage IC包括BM3G0xxMUV-LB系列(BM3G015MUV-LB和BM3G007MUV-LB),该系列是650V EcoGaN(ROHM的GaN器件品牌)器件,将650V的EcoGaN、专用栅极驱动器和新增功能及外围器件进行一体化封装,其驱动电压范围在2.5V~30V,启动时间为15μs,传输延迟为11ns~15ns,可以轻松的替换现有的功率半导体电路。Power Stage IC的开关损耗很低(输入电压264Vac,输出功率100W),相较Si MOSFET和普通产品分别减少约55%和20%。此外,与普通产品相比,该器件外置元器件减少了8个,只需1个,因此有助于产品进一步的小型化。
基于上述特性,Power Stage IC非常适用于内置一次侧电源(AC-DC或PFC电路)的各种应用,包括白色家电、AC适配器、电脑、电视、冰箱、空调等消费电子,以及服务器、OA设备等工业设备。配合新方案,ROHM提供了三款评估板,方便使用者在实际设备上进行评估。据悉,ROHM正在开发下一代Power Stage IC,将在明年陆续推出进一步整合准谐振AC-DC、PFC,以及半桥电路这些模拟控制器的产品。
ROHM早前设立了一个中期经营计划,该计划预期ROHM今年的销售额将达到5400亿日元,到2025年达到6000亿日元,2030年达到1万亿日元,其中功率器件的销售额在2021~2027年间的CARG要达到29.8%!该计划还提出了一个目标——到2030年,在功率电子和模拟领域,ROHM要成为全球排名前10的企业。Power Stage IC的推出,体现出ROHM在功率和模拟两种核心技术上的优势正在为实现这一计划提供增长动力。