GaN为高效功率器件铺平了道路

由于其化学物理特性和高度可靠的制造工艺，硅 （Si） 多年来一直是制造无源和有源电子元件最常用的半导体。MOSFET 和 IGBT 技术的引入也使得 Si 在功率应用中的应用成为可能，其特点是电流和电压特别高。然而，今天，这种半导体的性能几乎完全达到了它的理论极限，突出了硅基技术的一些缺点，特别是：有限的散热、有限的效率和不可忽略的传导损耗。近年来开展的研究活动使得识别一些材料成为可能，这些材料称为宽带隙 （WBG） 半导体，其特性能够克服 Si 提供的限制。

氮化镓 （GaN）属于这一类半导体，特别适用于功率应用，因为它与 Si 相比具有优越的特性——特别是在与 Si 或碳化硅 （SiC） 相同的工作频率下工作时，它能够更快地内部切换；由于其卓越的电子迁移率降低了内部开关损耗，电子迁移率高出 2 倍；较低的寄生电感带来更高的工作频率，尤其是在软开关拓扑中；给定尺寸的裸片具有更高的工作电压，这是基于其更高的临界电场强度 （3.3 MV/cm），而硅的临界电场强度为 0.3 MV/cm，所有这些都导致更高的效率。与基于 Si 的传统解决方案相比，在功率转换器等应用中使用 GaN 可实现显着改进：更高的功率效率、更小的尺寸、更轻的重量、并降低总体成本。虽然开关损耗会增加，但由于频率与功率损耗有关，但增加工作频率可导致更小的外形尺寸和更低的整体系统成本。除了 GaN 卓越的电子迁移率、降低交叉损耗外，还可以通过减少对笨重的散热器和冷却系统的需求、减小电源的重量和尺寸来实现热性能。

氮化镓特性

WBG 半导体系列，除了 GaN 之外还包括同样众所周知的 SiC，包括具有相对较大能带隙的材料，特别是与 Si 相比。也称为禁带，这个能带代表价带上限和导带下限之间存在的能隙。正是这种带隙的存在使半导体能够通过一些外部可控的电参数在开启和关闭状态之间切换。GaN 的带隙等于 3.4 eV，明显高于 Si（1.2 eV）。GaN 电子的更大迁移率导致更高的开关速度，因为通常会在结上积累的电荷可以更快地分散。更宽的带隙还允许更高温度的操作。随着温度的升高，电子在价带中的热能增加，直到一旦超过某个温度阈值，它们就会进入传导区。对于 Si，这个温度阈值约为 150°C，而对于 GaN，它甚至高于 400°C。宽带隙也意味着更高的击穿电压。因此，在相同的击穿电压下，可以创建更薄的层，增加半导体的掺杂水平并获得低得多的导通电阻值，如图所示 宽带隙也意味着更高的击穿电压。因此，在相同的击穿电压下，可以创建更薄的层，增加半导体的掺杂水平并获得低得多的导通电阻值，如图所示 宽带隙也意味着更高的击穿电压。因此，在相同的击穿电压下，可以创建更薄的层，增加半导体的掺杂水平并获得低得多的导通电阻值，如图所示图 1。

图 1：与击穿电压相关的导通电阻图

与传统的 Si 技术相比，GaN 提供的主要优势可归纳如下：

效率高、占地面积小、重量轻

高击穿电压（600 V 以上）

高功率密度

优良的导热性

高工作和开关频率

低导通电阻

高温操作（300°C 以上）

高可靠性

接近零的反向恢复时间

引领 GaN 革命

由于与 Si 相比具有更优越的特性，GaN 正在迅速普及到需要高效、可靠并能够减小应用尺寸、重量和成本的功率器件的领域。汽车行业越来越倾向于混合动力和电动汽车，在 DC/AC 逆变器、DC/DC 转换器、AC/DC 车载充电器、EV 动力系统等设备中使用 GaN 可以显着受益。

GaN 现在是电源转换的流行选择。650 至 900 V 范围内的高压 GaN HEMT （GaN FET） 正在成为功率转换的下一个标准。650-V GaN FET 凭借其在减小尺寸（外形尺寸）和节能（高效率）方面的成熟能力，现已在大众市场中得到采用。

在系统中，GaN 在 AC-DC 无桥图腾柱 PFC 中具有很高的价值，与成熟的基于模拟的经典升压 PFC 不同，它使用数字编程。GaN 提供具有成本竞争力且易于嵌入的解决方案，可将能量损失降低 50% 以上，将系统尺寸缩小 40% 以上，并简化转换器/逆变器的设计和制造，从而有助于降低系统成本。

Transphorm 的垂直整合业务方法在每个开发阶段利用业界最有经验的 GaN 工程团队：设计、制造、设备和应用支持。这种方法由拥有 1，000 多项专利的业界最大的 IP 组合之一提供支持，产生了业界唯一符合 JEDEC 和 AEC-Q101 标准的 GaN FET。Transphorm 的创新使电力电子产品超越了硅的限制，以实现超过 99% 的效率、40% 的功率密度和 20% 的系统成本降低。

高压 GaN 技术使众多需要可靠的高效率和高性能电源转换的市场受益。主要应用领域如下：

数据中心、基础设施和 IT 电源：GaN 提高了标准化服务器和电信外形尺寸的清洁电源输出。

工业 UPS 和电池充电器：GaN 技术减小了运行工业工厂、为电池驱动的叉车和电动汽车充电并保持关键数据可访问的系统的尺寸和重量。

汽车和电动汽车充电：GaN 每次充电可产生更长的距离，同时降低整体系统成本。

消费和计算：GaN 技术提高了适配器、游戏和电源的效率，从而实现更好的热管理、更高的功率密度和更低的系统成本。

高压 GaN 650 至 950V FET 正在成为功率转换的下一个标准。它们提供具有成本竞争力、易于嵌入的解决方案，可将能量损失降低 50% 以上，将系统尺寸缩小 40% 以上，并简化电源转换器/逆变器的设计和制造。

“Transphorm 的 GaN FET 的开关速度比硅解决方案快 4 倍，”Transphorm 发言人说。“此外，与 Si MOSFET 不同，GaN 晶体管本质上是双向的，并在无桥图腾柱功率因数校正设计中进行了优化。”

当今的 EV 车载充电器要求重量轻、体积小。“高效和高频操作有助于实现这一目标，Transphorm GaN FET 和 LLC 拓扑提供的优势，”发言人说。

Transphorm GaN FET 特别适合 LLC 和其他高频谐振应用，原因如下：快速开关、低漏极电荷（Q OSS = C OSS （tr） × V DS）、非常快的体二极管（低 Q RR ），以及低栅极驱动电流要求。

图 3：具有全桥初级和次级的 LLC 拓扑和仿真原理图

审核编辑：郭婷