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编者按：
“有一些厂商会激进地推动 GaN（氮化镓）器件的商用，很多时候便会出现炸管等问题，客户也会对 GaN 器件降低信心，我们希望整个业界都对 GaN 器件有信心，然后整个市场会慢慢成长起来。”
这番话让笔者很自然地想到了《论语·子路》中的一段文字：子夏为莒父宰，问政。子曰：“无欲速，无见小利。欲速则不达，见小利则大事不成。”
对 GaN 器件，笔者一样有欲速则不达的担忧。
GaN 器件入场的大前提
中信证券最新研报认为，GaN 材料具备高功率、高频率、高导热等优势，预计随着用户对便携性的需求提高，2025 年全球 GaN 快充市场规模有望达到 600 多亿元，同时加速 GaN 器件在其他新兴领域对 Si 器件的替代。在其他分析机构的研报里面我们也看到过类似的预期，大家对于 GaN 器件的未来都给予一致的肯定。
但这并不意味着厂商们能够提前去把这 600 多亿元瓜分，操之过急的话对于 GaN 产业而言无异于竭泽而渔。
以快速充电器（以下简称：快充）市场为例，近来我们在市面上已经看到数款搭载 GaN 器件的快充产品。然而当评测人员利用电子负载+诱骗器对某品牌快充产品进行 10 分钟满负载测试时，其表面温度在 A 口附件最高达到了 69.1 摄氏度，高于非 GaN 的 65W 快充。
GaN 快充满载测试，图源：知乎
非 GaN 快充满载测试，图源：知乎
谈到这个问题，英飞凌科技奥地利股份有限公司电源管理与多元化事业部资深市场营销经理邓巍博士和笔者讲出了文章开篇的这段话。是的，当一个以 GaN 为卖点，宣称发热更低的快充烫手了，势必会让一部分厂商和用户对 GaN 失去信心。
英飞凌科技奥地利股份有限公司电源管理与多元化事业部资深市场营销经理邓巍博士
邓巍觉得在快充和适配器市场，不管采用什么器件都需要满足一个限定范围，基于如下前提：
- 满足宽输入电压范围（90-270 VAC，售后市场为 110-270 VAC）；
- 在满载和最低输入电压的情况下不出现过热，也就是产品外壳温度最大不可超过环境温度 40-60°C；
- 需要产品测试符合所有法规（安全性、EMI、备用电源等）。
50W 是 Si 器件转 GaN 器件的临界点
作为第三代半导体材料，GaN 具有远优于第一、二代半导体材料的高热导率和耐压性能。
GaN 的主要优势：
- GaN 的禁带宽度是 Si 的 3 倍，击穿电压是 Si 的 10 倍，可以承受更高电压；
- GaN 具有很高的导热率和热稳定性，常压下极难被融化；
- GaN 输出电荷和栅极电荷都比 Si 低十倍，反向恢复电荷几乎为零，作为高频开关 GaN 器件的损耗非常低；
- GaN 能够以高达 1MHz 的频率工作效率不会降低，而 Si 则难以达到 100 kHz 以上。
除了这些优势，由于 GaN 器件的功率密度更高，因此器件大小是小于等效 Si 器件的，也就意味着在同等面积晶圆上能够生产出更多的器件，从而降低了每个晶片的成本。此外，与 Si 器件不同，GaN 器件没有体二极管，没有反向恢复电荷（QRR），非常适合硬开关应用。
基于这样的优势，分析机构从市场角度分析认为，GaN 器件更适用于下图所示的领域，包含我们在这里着重探讨的快充和电源适配器。
从这些领域所处的区域我们不难看出，GaN 器件更适用于高频高压领域。邓巍在介绍过程中也提到了这一点。
接下来，我们要搞清楚的事情是何时采用 GaN 器件才是最具有性价比的。
在当前的器件和产品市场，我们可以很明显看到，Si 器件并非束手就擒地等待 GaN 器件来替代，也在采用适合的技术进一步提升自己。在器件层面，我们能够看到有厂商通过软开关等技术将 Si 器件的效率提升到 93%，甚至是 95%以上；在产品层面，我们也看到很多品牌并没有采用 GaN 器件，同样将快充的功率提升到了 65W。那么，Si 器件和 GaN 器件之间的界限在哪里呢？
邓巍认为，快充市场中 Si 器件和 GaN 器件之间的分界线会在 50W 左右。
对此，他给出了详细的解释。“举一个极端的例子，如果你的产品对于效率和功率要求很低，或者非常低的时候，那么你可以直接考虑 Si 器件，因为 Si 可以借助非常简单的拓扑就达到一定的功率和效率，而且具有有竞争力的成本优势。但是，如果你的产品对于效率和功率要求很高或者非常高的情况下，GaN 器件则更为适合。并非说 Si 器件不能达到要求的功率和效率，但由于 Si 器件拓扑复杂度低，面对高规格的要求，Si 器件就需要更多的元器件数量，从而带来指数级增长的元器件成本。”
所以 Si 器件和 GaN 器件会存在一个分界点，分界点以下时就选择 Si 器件，分界点以上时就选择 GaN 器件。比如前面讲到，快充领域的分界点会是 50W，而无线充电方面在 30W 以上时，并且在 6.78MHz 无线充电方面 GaN 器件比 Si 器件更具优势。
英飞凌针对基于 GaN 器件和 Si 器件设计做的仿真从数据端很好地印证了他的说法。
上图中，蓝色点代表 Si 器件，红色点代表 GaN 器件，在效率和功率密度上很显然 GaN 器件更具有优势。在这个模型图中还有一个我们看不到的轴，给出了在不同效率和功率密度情况下对应的三年或者四年后的器件成本，在相对低效率和低功率密度应用中，Si 器件有成本优势。
邓巍提到，针对 GaN 器件的成本问题，英飞凌采用了帕累托（Pareto）优化，也称为帕累托改善或帕累托改进。这是一种改进方法，目前是找到帕累托最优，也就是没有进行帕累托改进余地的状态。讲回到 GaN 器件，英飞凌的持续优化包括材料层面（半导体材料、磁芯材料、电介质材料）、元件层面（半导体类型、封装类型、电容器类型）和系统级（拓扑、调制方案），以及组件和系统行为的全面和详细建模几个方面，目的是在效率、功率密度和成本之间找到平衡点（Pareto-Front，帕累托前沿）。
不过邓巍也表示，即便是 GaN 器件也并不可能一直同时提高器件效率和功率密度。实际上这是两个极其矛盾的需求，器件密度的提升实际上意味着器件体积的缩小，这就需要提高开关的频率，即便是开关损耗很低的 GaN 材料也会随着开关频率的增加而增大开关损耗，器件效率便会下降。这便是英飞凌采用帕累托优化的原因，找到平衡点提供最佳的解决方案。
半桥拓扑和 GaN 的完美搭配
从上面英飞凌针对 GaN 器件的帕累托优化过程中可以看出，GaN 并不是完美的材料，其也具有自己的极限。
GaN 器件具有有限的雪崩能力，比 Si 器件更容易受到过电压的影响，因此极其适用于漏 - 源电压（VDS）钳位在轨电压的半桥拓扑。英飞凌《适配器和充电器应用中的氮化镓技术》白皮书提到，当试图克服 65W 适配器的 20W/in³密度目标时，紧凑型充电器的设计选择明显缩小。在大多数或所有操作条件下需要回收漏电感中的能量并提供零电压开关，排除了许多单端拓扑结构选择。
邓巍表示，采用半桥拓扑使得 GaN 器件可同时提高开关频率和效率，包括基于 LLC 的 GaN 用于 150W 至 300W 的高端笔记本电脑电源适配器，以及基于有源钳位反激的 45W 至 65W 功率水平的快充适配器。
英飞凌 CoolGaN™解决方案
不管是 GaN 材料本身，还是采用半桥拓扑，亦或者是英飞凌 CoolGaN™解决方案提到的回收泄露能量……所有的这些都是为了让 GaN 器件成为高效率的器件。那么实际的使用中，其表现如何呢？
图示：红色曲线—输出电压 Vout = 20V 时根据输入电压测量的原型机的满载效率(Pout = 65W)；蓝色曲线—用 600 V/190mΩ GaN HEMT 替代 500 V/140 mΩ Si MOSFET 时可能改善的效率。
上图中红色曲线是基于 500 V / 140mΩMOSFET 的 65 W 快充原型，支持 USB-PD，具有 5 V / 3 A 到 20 V / 3.25 A 的不同输出电压曲线，工作频率从 100 kHz 到 220 kHz 不等，具体取决于输入和输出电压。该原型的最高效率为 94.8％，而 Vin = 90 V 时的最低满载效率为 93％。蓝线则是基于 600 V / 190mΩGaN HEMT 的 65 W 快充替代方案，由于半桥拓扑的特点是通过利用磁化电流来实现初级侧半桥的 ZVS 和同步整流开关的 ZCS，从而为最高转换效率奠定了基础，因此在效率上均高于基于 Si 器件的快充原型。而 VAC从 90V 到 270V 正是快充要求的宽输入范围。
可能有人会有疑问，竟然半桥拓扑和 GaN 能够搭配的这么好，为什么 Si 不能采用半桥拓扑呢？邓巍也解释了这个问题，他指出：“Si 在半桥拓扑结构中很难被修复，因为 Si 里面会含有体二极管，这个体二极管在半桥结构中会有不稳定性，造成很大的消耗，也就不能够实现高效率。”
GaN 器件测试需要更多条件
当前，GaN 的发展势头非常迅猛，在快充市场里众多手机厂商在积极入局，其中华为、小米、OPPO、realme、三星、努比亚、魅族等知名手机企业已经先后发布和推出了基于手机、笔记本电脑快充的 GaN 充电器，而中国本土厂商也有英诺赛科这样的厂商在提供 GaN 芯片。
对此，除了文章开篇这段话，邓巍也谈到了英飞凌自己的节奏。他表示：“有一些厂商在 GaN 方面是比较激进的，这是无可厚非的，这是一个新技术，比较博人眼球，但我想很多厂商是心里没底的。GaN 还没有在广泛的市场中得到验证，不管是消费级市场还是工业市场，可靠性都至关重要。”
笔者在英飞凌《CoolGaN™的可靠性和鉴定》白皮书里看到，虽然 Si 器件栅极氧化物中发生的与时间相关电介质击穿(TDDB)、疲劳表征、导体中高电流密度导致的电迁移以及湿度和偏压导致的腐蚀也在 GaN 器件中发生，但要验证 GaN 器件需要更多的条件。
英飞凌为 GaN 器件的关键故障模式设置了包括直流偏置和切换 SOA 在内的 4 种退化模型，并在 JEDEC[10]内部发起并组建了一个关注 GaN 的小组委员会(JC-70.1)，旨在介绍有关 GaN 器件的鉴定指南和标准。
邓巍指出，英飞凌这么做是基于对可靠性和安全性的考虑。“我们需要看到 GaN 器件在高要求场所能够用起来，比如电信或者数据中心，这对 GaN 器件的工作环境和对电压、电流的应力要求非常高，如果能够得到检验，再推向消费和金融等市场。然后，结合我们对可靠性的研究去推荐拓扑结构和器件等级等。”
从完整方案到成本缩减
从邓巍的回答以及英飞凌白皮书中，我们不难发现英飞凌在对待 GaN 器件非常严谨。当然这不意味着英飞凌的产品将在市场上滞后，邓巍认为英飞凌不仅在 GaN 器件的验证方面领先，同时英飞凌在其他器件方面的经验也将让 GaN 器件解决方案更完整且更具竞争力。
在与笔者的交流中，邓巍展示了英飞凌在快充和适配器领域的“一站式”产品供应。
图示：英飞凌在快充和适配器领域的“一站式”产品供应
“英飞凌的愿景是给业界提供完整的、系统的解决方案，我们不光提供开关，也希望提供其他器件给我们的客户。整个系统解决方案全部被采用了，这样我们更便于进行优化，然后进行成本缩减。” 邓巍最后说。
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