基于GaN的晶體管尺寸和功率效率加倍

無論是在太空還是在地面，這些基于GaN的晶體管都比硅具有新的優(yōu)勢。

三個組織上個月發(fā)布了新型 GaN 功率晶體管，這些晶體管在效率、穩(wěn)健性和獨特環(huán)境的適用性方面取得了長足進(jìn)步。



新型 GaN 器件以更小的封裝提供更高的效率、穩(wěn)健性和控制能力。

電力電子領(lǐng)域?qū)ο乱淮唠妷骸⒋箅娏骶w管提出了獨特的要求，特別是對于開關(guān)電源或電機驅(qū)動器。因此，新型 GaN 晶體管允許電子產(chǎn)品在新環(huán)境中運行，其性能可與 SiC 或 IGBT 技術(shù)相當(dāng)。

本文仔細(xì)研究了三款夏季發(fā)布的 GaN 晶體管，讓讀者了解每款產(chǎn)品如何使設(shè)計人員受益并塑造高功率器件的未來。

?Transphorm 專注于新型 GaN 晶體管的魯棒性

本次綜述的開端是Transphorm 最新的 GaN 功率晶體管，據(jù)報道，未來功率逆變器的短路魯棒性高達(dá) 5 微秒。隨著電動機變得越來越普遍，許多設(shè)計人員擔(dān)心 GaN 電力電子器件承受高電壓和高電流短路情況的能力。為此，Transphorm 聲稱其功率晶體管是邁向穩(wěn)健的 GaN 逆變器的重要一步。



與傳統(tǒng)增強型 FET 相比，Transphorm 共源共柵 GaN FET 為電動汽車或電源逆變器等高可靠性應(yīng)用提供了更高的抗擾度和魯棒性。

當(dāng)響應(yīng)短路時，系統(tǒng)的控制電子設(shè)備可能需要幾微秒的時間才能斷電。因此，電力電子設(shè)備必須承受短路直至斷電。前幾代GaN器件僅表現(xiàn)出數(shù)百納秒量級的短路魯棒性，限制了GaN器件的實際應(yīng)用。然而，利用最新的 Transphorm 器件，設(shè)計人員現(xiàn)在可以在任何晶體管受到不可挽回的損壞之前切斷電源。

Transphorm 計劃在 2024 年的一次大型電力電子會議上展示有關(guān)該晶體管的更多細(xì)節(jié)。不過，我們確實知道該晶體管本身使用共源共柵架構(gòu)來提高器件的魯棒性，并與增強模式器件相比提供其他改進(jìn)。

?EPC Space 將 GaN 帶到大氣層邊緣

EPC Space 將 GaN 推向了最后的前沿，推出了兩款新型抗輻射 GaN 晶體管，用于太空應(yīng)用中的高電流開關(guān)。隨著商業(yè)衛(wèi)星數(shù)量的不斷增加，設(shè)計人員需要更多的空間就緒電力電子產(chǎn)品選擇，并提高電流處理能力。

EPC Space GaN 晶體管通過專為太空應(yīng)用打造的密封防輻射封裝中的 GaN 物理優(yōu)勢，為設(shè)計人員提供更高的性能。

這兩款新型晶體管EPC7020G和EPC7030G采用密封封裝，占地面積小而堅固。兩者均可處理 200 A 脈沖，并加入現(xiàn)有的 EPC70XX GaN 晶體管系列。

EPC7020G 可承受高達(dá) 200 V 的電壓，導(dǎo)通電阻為 14.5 mΩ；EPC7030G 可承受 300 V 的電壓，導(dǎo)通電阻為 32 mΩ。雖然 EPC Space 將電源、電機驅(qū)動和各種其他儀器儀表任務(wù)作為新型抗輻射 GaN 器件的主要受益者，但如果 GaN 器件相對于抗輻射硅 MOSFET 表現(xiàn)出足夠的改進(jìn)，應(yīng)用范圍可能會遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出所列出的范圍。

?羅姆致力于 GaN 小型化

最后，為了提高功率和面積效率，Rohm Semiconductor 開發(fā)了兩個帶有內(nèi)置 GaN HEMT 和柵極驅(qū)動器的650 V GaN 功率級，以實現(xiàn)比硅更小、更簡單的解決方案。

BM3G007和BM3G015這兩個新功率級均支持高達(dá) 650 V 的電壓，相應(yīng)的導(dǎo)通電阻分別為 70 mΩ 和 150 mΩ。然而，與硅芯片相比，新芯片的亮點在于效率的提高。



Rohm EcoGaN 功率級為設(shè)計人員提供了在更小的整體尺寸下提高效率的能力，為使用 GaN 電力電子器件的新應(yīng)用鋪平了道路。

Rohm 報告稱，與分立硅 FET 相比，使用其功率級 IC 時，損耗降低了 55%，體積減小了 99%，從而在設(shè)計緊湊型電子產(chǎn)品時提供了更大的空間。GaN 固有的更快開關(guān)速度同時減小了 GaN 器件和外部無源元件的尺寸。兩個功率級以及模塊的評估板現(xiàn)已上市。

?GaN 的成熟過程仍在繼續(xù)

盡管 GaN 對于電氣工程師來說并不是一種萬能的解決方案，但它與硅相比的物理差異無疑使其成為更小、更高效的電力電子產(chǎn)品的有力競爭者。特別是當(dāng)比較硅和氮化鎵基器件的相對年齡時，氮化鎵仍然擁有光明的創(chuàng)新前景。隨著 GaN 工藝的成熟，該材料本身可能會成為更高效的電源、電機驅(qū)動器和更多高功率電子產(chǎn)品的基礎(chǔ)。

據(jù)Yole Group 旗下 Yole Intelligence在《功率 SiC/GaN 化合物半導(dǎo)體市場監(jiān)測》中表示，GaN 技術(shù)繼續(xù)主要在消費類應(yīng)用領(lǐng)域取得進(jìn)展，特別關(guān)注快速智能手機充電器。Power Integrations 和 Navitas 引領(lǐng)市場，贏得了智能手機制造商的多項設(shè)計勝利。例如，Innoscience 宣布 2023 年第一季度 GaN 器件的出貨量超過 5000 萬個，主要針對消費電力應(yīng)用。他們的40V GaN產(chǎn)品已經(jīng)在OPPO和Realme的旗艦手機中占有一席之地。另一方面，繼 MacBook Pro 16 英寸 140W 充電器取得成功之后，GaN Systems 又推出了適用于 MacBook Air M2 13 英寸 512GB 型號和 Apple 15 英寸型號的 70W 充電器。2023 年第 2 季度，Navitas 贏得了小米 13 Ultra 90W 超快“內(nèi)置”充電器的設(shè)計獎?？焖僦悄苁謾C充電器的功率水平明顯高于 75W，預(yù)計這將增加 GaN 技術(shù)的采用。從長遠(yuǎn)來看，電信和數(shù)據(jù)通信應(yīng)用在需要高效電源轉(zhuǎn)換以滿足二氧化碳排放目標(biāo)以及電動汽車中的車載充電器和 DC-DC 轉(zhuǎn)換器的推動下，為 GaN 帶來了巨大的增長機會， 2028 年市場規(guī)模有望超過 20 億美元。

審核編輯：劉清