GaN功率器件的应用技术

【摘要】简单回顾氮化镓与硅基MOS管相比，氮化镓结构的特性。然后从消费类、工业领域以及汽车领域介绍了氮化镓器件的应用技术情况，重点介绍了氮化镓当前的主要应用领域，消费类快充以及汽车领域的OBC。

一、工艺结构特性情况

工艺结构决定了应用，氮化镓HMET的结构和硅基MOSFET相比，仍存在驱动电压范围窄、价格贵等问题。

表 1 硅基MOSFET和氮化镓粗略对比

指标	硅基MOSFET	GaN HEMT	氮化镓结论评价
开关速度	慢	快	很好
Rds/漏源极导通电阻	大	小	优秀
驱动电压范围/Vgs	更广（5-20V）	较窄（4.5V-6.5V）	差
雪崩效应	有	没有	差
价格	低	高	差

资料来源：公开资料应用研究院整理

在具体应用场景中，需充分利用氮化镓器件的优点，在相同价格或更高单价下，性能达到更优。

表 2 开关器件的硅基MOSFET与氮化镓HEMT

对比项目	硅基开关	氮化镓开关
时间	30多年工艺	新型器件
发展特征	Ø所有工艺问题都已经消除Ø容易理解Ø最优拓扑结构是确定的Ø应用场景已普及	Ø更贵Ø开关速度更快Ø导通电阻低Ø没有反向回复电荷Ø驱动电压范围窄

30多年前，硅基MOSFET和BJT对比，存在“对噪声敏感、更容易遭到破坏”等问题，场景类似现在的氮化镓和硅基MOSFET的对比。

氮化镓器件单价贵，是相比于硅基MOS管而言， 主要是因为氮化镓器件尺寸更小、效率更高，能达到硅基MOSFET不能实现的功能。此外，生产氮化镓开关，需要一个全新的生态系统，包括拓扑、控制、门机驱动以及包装等。

氮化镓的高频特性使得氮化镓器件开关速度更快，开关损耗更低，频率更高。但同时，也会导致更大的电压振铃、门级信号带来高的氮化镓损耗甚至毁坏，因此需更高的门级电阻值。氮化镓HEMT结构具有更低的 低导通电阻 （Rds），传导损耗低于硅基MOS管，可允许更大的传导电流。氮化镓HEMT结构与硅基MOS管相比， 没有体二极管反向回复电荷 ，减少了一个损耗来源。因此氮化镓开关能达到999%+的效率。氮化镓器件的驱动电压范围Vgs更窄，好处是对于4.5V到6.5V的电源是合理的，坏处就是驱动电压Vgs容易受线圈的自感电动势影响而变动。

二、氮化镓功率器件应用

就氮化镓应用层面来讲，可以分为消费类，工业类和电动汽车三大类。因为氮化镓特别适合软开关，尤其是LLC拓扑结构的应用，同时氮化镓是横向器件，更适合中小功率的应用。因此，消费电子仍然是当前氮化镓功率元件最主要的应用市场，占据了接近70%左右份额。工业类有小规模量产，在新能源汽车的应用还处于早期。

（一）消费类应用

氮化镓快充具有大功率、超级快充、轻巧便捷（体积小）优势，支持手机、平板、PC电脑、蓝牙耳机、手表手环等设备充电。

1、超小型适配器（65W）

氮化镓在快充领域方面，65W超小型适配器已经实现市场化。过去几年，各个厂商的65W超小型适配器的方案各异，包括三电平LLC，有源钳位反激（ACF）等。甚至有公司用碳化硅做主开关管，当然对应的成本也很高。

表 3 65W超小型适配器（2016~2020年）

品牌商****参数	联想	台达	Finsix Dart	Zolt	小米	Power Gan	小米
拓扑结构	Flyback	Flyback	3电平LLC	ACF	Flyback	QR	ACF
功率开关管	硅基SJ MOS	硅基SJ MOS	硅基SJ MOS	碳化硅	硅基SJ MOS	氮化镓	氮化镓
尺寸/mm（不含插针）	357430	306030	287028	88.93333	605728	484830	56.23131
重量	122g	88g	85g	100g	113g	175g	82g
最大功率	20V/3.25A	20V/3A	20V/3.25A	20V/3.5A	20V/3.25A	20V/3A	20V/3.25A
USB-C/PD	√	√	×	×	√	√	√
功率密度W/in^3^	13.74	18.18	19.42	11.83	11.13	14.08	19.75
上市时间	2018.11	2018.5	2016	2016	2018.6	2019	2020
市场价/美元	30	109	99	79	20	37	22

资料来源：公开资料整理

目前能做到的最高的功率密度是小米的ACF+平板变压器方案。但即使如此，功率密度也没有超过20W每立方英寸。

氮化镓超小型65W适配器以三种方案为主。第一种是QR （准谐振反激），第二种是ACF（有源钳位反激），第三种是LLC数字控制谐振拓扑。从工作频率范围，效率，电路调试难度，体积以及成本看，三种方案各有利弊。

表 4 氮化镓超小型65W适配器的三种方案

拓扑结构	GaN主开关数量	频率范围（KHz）	效率	电路调试难度	带壳体积	成本
QR（Quasi-Resonant/准谐振反激）	1	100~300	~94%	容易	小	低
ACF（Active Clamp Flyback/有源钳位反激）	2	200~400	~94%	困难	很小	高
LLC（数字控制谐振）	2	500~1500	~95%	较难	非常小	高

不同的方案侧重点不同，若成本是首要因素，则优先考虑QR（准谐振反激）方案。若对体积和效率要求较高，则适用LLC数字控制谐振方案。

（二）工业领域

氮化镓特别适合软开关，尤其是LLC拓扑结构的应用。同时氮化镓是横向器件，更适合中小功率的应用，用于900V以下的领域。氮化镓功率器件常用数据中心、通讯基站等设备，实现设备运作需要电流快速转换。氮化镓射频器件在5G基站的应用更广泛，对于整个天线系统的功耗和尺寸都有巨大的改进。

（三）汽车领域

碳化硅和氮化镓能同时应用于汽车产业，碳化硅在车载领域的可靠性上更具优势。但众多厂商在汽车领域已经全面布局All GaN（全氮化镓电控系统）方案。

图 1 电动车架构图

资料来源：公开资料(侵删）

许多功率GaN厂商开发了经车规认证的650V GaN器件，可用于车载充电器（OBC）和EV/HEV的DC/DC转换，并与众多汽车制造商建立了合作伙伴关系。

1、牵引逆变器（Traction Inverter）

GaN晶体管用于车辆中的逆变器，由AlxGa(1-x)N（x>0）组成的势垒区与漂移区和源电极都接触，从而改善GaN基板的散热，可将效率提高20％，提升新能源汽车一次充电的续航里程。

但目前氮化镓还未在新能源汽车动力系统的主逆变器（牵引逆变器）实现大规模商业化，整体仍处于开发设计和预演阶段。

2、DC-DC转换器

DC/DC转换器DC/DC转换器一端连接动力电池，另一端连接低压蓄电池，将能量从高压电池包转移至低压蓄电池中，为汽车的空调、灯光、雨刷、防盗、音响、导航、电动转向、安全气囊、电子仪表、故障诊断系统等提供12V/48V的低压设备供电。

乘用车DC/DC功率一般在0.5-2kW之间，商用车DC/DC功率一般在1-3kW之间。DC/DC转换器包括主电路（功率模块）、驱动模块和控制模块。使用GaN器件，可大大减少能量损失，并减小整个转换器的尺寸和重量。与硅基MOS功率器件方案对比，使用氮化镓器件可将整个系统尺寸减小75％。

3、车载充电机（On-Board Charger/OBC）

OBC是车载充电机的简称（On Board Charger），固定安装在新能源电动汽车上，OBC用于将交流电转换为直流电，因此在使用交流充电桩充电时需要新能源汽车搭载车载充电机，但如果输入的是直流电，就不需要这种转换。

资料来源：公开资料(侵删）

当将直流快速充电桩连接到车辆时，这就会绕过OBC而将快速充电器直接连接到高压电池。当输入是交流电时，交流充电桩的充电枪连接至新能源汽车的交流充电口，新能源汽车的交流充电口连着车载充电器，在电源管理系统（BMS）的指挥下给新能源汽车电池完成充电。

车载充电机由交流输入端口、功率单元、控制单元、低压辅助单元和直流输出端口五部分组成。其中，功率单元包括输入整流、逆变电路和输出整流3部分，将输入的工频交流电转化成适合动力系统能够接受的适当电压的直流电。使用GaN器件，OBC的整体尺寸能减少到原来的五分之一，充电效率可以增加98%。

氮化镓OBC可实现充电速度提高三倍。

表 5 氮化镓OBC器件和硅基MOS器件对比

材料	充电时间/小时	能量损耗/kW	电池成本/USD	续航里程
硅基MOS	11.3	10.5	10.0K	234min
GaN	4.7	3.0	9.5K	242min
氮化镓优势	快60%	节省70%能量	减少5%	久5%

使用400V和800V电池的新能源汽车，OBC的额定功率在3.7kW和22kW之间，因此需要额定电压分别为650V和1200V的功率半导体，1200V也是氮化镓能达到的上限电压，对于800V以上高压电池的新能源汽车，碳化硅是不二之选。