GaN為高效功率器件鋪平道路

GaN屬于此類(lèi)半導(dǎo)體，特別適用于電源應(yīng)用，因?yàn)榕c硅相比，它具有優(yōu)越的特性：具體而言，在與 Si 或 SiC 相同的工作頻率下工作時(shí)，它能夠更快地進(jìn)行內(nèi)部切換。, 其卓越的電子遷移率提高了 2 倍，從而降低了內(nèi)部開(kāi)關(guān)損耗， 其較低的寄生電感帶來(lái)了更高的工作頻率，尤其是在軟開(kāi)關(guān)拓?fù)渲?，基于其更高的臨界電場(chǎng)強(qiáng)度 (3.3 MV)，給定尺寸的芯片具有更高的工作電壓/cm) 與使用硅的 0.3 MV/cm 相比，都導(dǎo)致更高的效率。

由于其化學(xué)物理特性和高度可靠的制造工藝，多年來(lái)，硅一直是制造無(wú)源和有源電子元件最常用的半導(dǎo)體。

MOSFET 和 IGBT 技術(shù)的引入還使硅能夠在功率應(yīng)用中使用，其特點(diǎn)是電流和電壓特別高。

然而，今天，這種半導(dǎo)體的性能幾乎完全達(dá)到了其理論極限，突出了硅基技術(shù)的一些缺點(diǎn)，特別是：有限的散熱、有限的效率和不可忽略的傳導(dǎo)損耗。

近年來(lái)開(kāi)展的研究活動(dòng)使得確定一些材料成為可能，這些材料被稱(chēng)為寬帶隙半導(dǎo)體 (WBG)，其特性能夠克服硅的限制。

與基于硅的傳統(tǒng)解決方案相比，在電源轉(zhuǎn)換器等應(yīng)用中使用氮化鎵可實(shí)現(xiàn)顯著改進(jìn)：更高的功率效率、更小的尺寸、更輕的重量和更低的總體成本。

雖然開(kāi)關(guān)損耗隨著頻率的增加而增加，但增加工作頻率可以導(dǎo)致更小的外形尺寸和更低的整體系統(tǒng)成本。

GaN 具有卓越的電子遷移率，可通過(guò)減少對(duì)龐大的散熱器和冷卻系統(tǒng)的需求、減少電源的重量和尺寸來(lái)實(shí)現(xiàn)熱性能，從而減少交叉損耗。

氮化鎵：特性

除了 GaN 之外，WBG 半導(dǎo)體系列還包括同樣著名的碳化硅 (SiC)，其包含的材料具有相對(duì)較大的能帶隙，尤其是與硅相比時(shí)。

也稱(chēng)為禁帶，該帶代表價(jià)帶上限與導(dǎo)帶下限之間存在的能隙。正是這種帶隙的存在，使半導(dǎo)體能夠通過(guò)一些外部可控的電氣參數(shù)在開(kāi)和關(guān)狀態(tài)之間切換。

氮化鎵的帶隙等于 3.4 eV，明顯高于硅的帶隙 (1.2 eV)。氮化鎵電子的更大遷移率導(dǎo)致更高的開(kāi)關(guān)速度，因?yàn)橥ǔ?huì)在結(jié)上積累的電荷可以更快地分散。更寬的帶隙還允許更高的溫度操作。隨著溫度的升高，價(jià)帶中電子的熱能增加，直到一旦超過(guò)某個(gè)溫度閾值，它們就會(huì)進(jìn)入傳導(dǎo)區(qū)。對(duì)于硅，該溫度閾值約為 150 °C，而對(duì)于 GaN，它甚至高于 400 °C。寬帶隙也意味著更高的擊穿電壓。在相同的擊穿電壓下，因此可以創(chuàng)建更薄的層，

圖 1：與擊穿電壓相關(guān)的導(dǎo)通電阻圖

與傳統(tǒng)的硅技術(shù)相比，GaN 的主要優(yōu)勢(shì)可以總結(jié)如下：

效率高、占地面積小、重量輕；

高功率密度；

高工作頻率和開(kāi)關(guān)頻率；

低導(dǎo)通電阻；

接近零反向恢復(fù)時(shí)間。

引領(lǐng)氮化鎵革命

由于其與硅相比的優(yōu)越性能，氮化鎵在要求高效、可靠且能夠減小應(yīng)用尺寸、重量和成本的功率器件的領(lǐng)域中迅速普及。

越來(lái)越面向混合動(dòng)力和電動(dòng)汽車(chē)的汽車(chē)行業(yè)可以從在以下設(shè)備中使用 GaN 中受益匪淺：DC-AC 逆變器、DC-DC 轉(zhuǎn)換器、AC-DC 車(chē)載充電器、EV 動(dòng)力系統(tǒng)等（見(jiàn)圖 2） ）。

氮化鎵 (GaN) 現(xiàn)在是電源轉(zhuǎn)換的流行選擇。650-900 伏范圍內(nèi)的高壓 (HV) GaN HEMT (GaN FET) 正在成為電源轉(zhuǎn)換的下一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。650V GaN FET 具有減小尺寸（形狀因數(shù)）和節(jié)能（高效率）的能力，現(xiàn)已被大眾市場(chǎng)采用。

在系統(tǒng)中，GaN 在 AC 到 DC 無(wú)橋圖騰柱 PFC 中提供高價(jià)值，這與成熟的基于模擬的經(jīng)典升壓 PFC 使用數(shù)字編程不同。

GaN 提供具有成本競(jìng)爭(zhēng)力、易于嵌入的解決方案，可將能量損失降低 50% 以上，將系統(tǒng)尺寸縮小 40% 以上，以簡(jiǎn)化轉(zhuǎn)換器/逆變器的設(shè)計(jì)和制造，也有助于降低系統(tǒng)成本。

圖 2：EV/HEV GaN 應(yīng)用

Transphorm 的垂直整合業(yè)務(wù)方法在每個(gè)開(kāi)發(fā)階段都利用了業(yè)界最有經(jīng)驗(yàn)的 GaN 工程團(tuán)隊(duì)：設(shè)計(jì)、制造、設(shè)備和應(yīng)用支持。

這種方法得到業(yè)界最大的 IP 組合之一的支持，擁有超過(guò) 1000 項(xiàng)專(zhuān)利，已經(jīng)產(chǎn)生了業(yè)界唯一符合 JEDEC 和 AEC-Q101 標(biāo)準(zhǔn)的 GaN FET。Transphorm 的創(chuàng)新使電力電子設(shè)備超越了硅的限制，實(shí)現(xiàn)了 99% 以上的效率、40% 以上的功率密度和 20% 的系統(tǒng)成本降低。

高壓 GaN 技術(shù)使眾多需要可靠的更高效率和更高性能功率轉(zhuǎn)換的市場(chǎng)受益。主要應(yīng)用領(lǐng)域如下：

數(shù)據(jù)中心、基礎(chǔ)設(shè)施和 IT 電源：GaN 增加了標(biāo)準(zhǔn)化服務(wù)器和電信外形規(guī)格中的清潔電源輸出；

工業(yè) UPS 和電池充電器：GaN 技術(shù)減小了運(yùn)行工業(yè)工廠、為電池供電的叉車(chē)、電動(dòng)汽車(chē)充電并保持關(guān)鍵數(shù)據(jù)可訪問(wèn)的系統(tǒng)的尺寸和重量；

汽車(chē)和電動(dòng)汽車(chē)充電：GaN 每次充電可產(chǎn)生更長(zhǎng)的距離，同時(shí)降低整體系統(tǒng)成本；

消費(fèi)和計(jì)算：GaN 技術(shù)提高了適配器、游戲和電源的效率，從而實(shí)現(xiàn)了更好的熱管理、更高的功率密度和更低的系統(tǒng)成本。

高壓 (HV) 氮化鎵 (GaN)-650-950 V 場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (FET) 正在成為電源轉(zhuǎn)換的下一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。它們提供具有成本競(jìng)爭(zhēng)力、易于嵌入的解決方案，可將能量損失降低 50% 以上，將系統(tǒng)尺寸縮小 40% 以上，并簡(jiǎn)化電源轉(zhuǎn)換器/逆變器的設(shè)計(jì)和制造。

“Transphorm 的 GaN FET 的開(kāi)關(guān)速度比硅解決方案快 4 倍。此外，與 Si MOSFET 不同，GaN 晶體管本質(zhì)上是雙向的，并且在無(wú)橋圖騰柱功率因數(shù)校正設(shè)計(jì)中進(jìn)行了優(yōu)化，”Transphorm 發(fā)言人說(shuō)。

圖 3：LLC 拓?fù)浜?a target="_blank">仿真原理圖，全橋初級(jí)和次級(jí)

當(dāng)今的電動(dòng)汽車(chē) (EV) 車(chē)載充電器 (OBC) 要求重量輕且尺寸小。Transphorm 發(fā)言人表示：“Transphorm GaN FET 和 LLC 拓?fù)涮峁┑母咝屎透哳l操作有助于實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)?！?/p>

Transphorm GaN FET 特別適合 LLC 和其他高頻諧振應(yīng)用，原因如下：快速開(kāi)關(guān)、低漏電荷（Q OSS = C OSS (tr) * V DS）、非?？斓捏w二極管（低 Q RR ), 低柵極驅(qū)動(dòng)電流要求。


審核編輯：劉清