GaN为高效功率器件铺平道路

GaN属于此类半导体，特别适用于电源应用，因为与硅相比，它具有优越的特性：具体而言，在与 Si 或 SiC 相同的工作频率下工作时，它能够更快地进行内部切换。, 其卓越的电子迁移率提高了 2 倍，从而降低了内部开关损耗， 其较低的寄生电感带来了更高的工作频率，尤其是在软开关拓扑中，基于其更高的临界电场强度 (3.3 MV)，给定尺寸的芯片具有更高的工作电压/cm) 与使用硅的 0.3 MV/cm 相比，都导致更高的效率。

由于其化学物理特性和高度可靠的制造工艺，多年来，硅一直是制造无源和有源电子元件最常用的半导体。

MOSFET 和 IGBT 技术的引入还使硅能够在功率应用中使用，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其理论极限，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确定一些材料成为可能，这些材料被称为宽带隙半导体 (WBG)，其特性能够克服硅的限制。

与基于硅的传统解决方案相比，在电源转换器等应用中使用氮化镓可实现显着改进：更高的功率效率、更小的尺寸、更轻的重量和更低的总体成本。

虽然开关损耗随着频率的增加而增加，但增加工作频率可以导致更小的外形尺寸和更低的整体系统成本。

GaN 具有卓越的电子迁移率，可通过减少对庞大的散热器和冷却系统的需求、减少电源的重量和尺寸来实现热性能，从而减少交叉损耗。

氮化镓：特性

除了 GaN 之外，WBG 半导体系列还包括同样著名的碳化硅 (SiC)，其包含的材料具有相对较大的能带隙，尤其是与硅相比时。

也称为禁带，该带代表价带上限与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气参数在开和关状态之间切换。

氮化镓的带隙等于 3.4 eV，明显高于硅的带隙 (1.2 eV)。氮化镓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的温度操作。随着温度的升高，价带中电子的热能增加，直到一旦超过某个温度阈值，它们就会进入传导区。对于硅，该温度阈值约为 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。在相同的击穿电压下，因此可以创建更薄的层，

图 1：与击穿电压相关的导通电阻图

与传统的硅技术相比，GaN 的主要优势可以总结如下：

效率高、占地面积小、重量轻；

高功率密度；

高工作频率和开关频率；

低导通电阻；

接近零反向恢复时间。

引领氮化镓革命

由于其与硅相比的优越性能，氮化镓在要求高效、可靠且能够减小应用尺寸、重量和成本的功率器件的领域中迅速普及。

越来越面向混合动力和电动汽车的汽车行业可以从在以下设备中使用 GaN 中受益匪浅：DC-AC 逆变器、DC-DC 转换器、AC-DC 车载充电器、EV 动力系统等（见图 2） ）。

氮化镓 (GaN) 现在是电源转换的流行选择。650-900 伏范围内的高压 (HV) GaN HEMT (GaN FET) 正在成为电源转换的下一个标准。650V GaN FET 具有减小尺寸（形状因数）和节能（高效率）的能力，现已被大众市场采用。

在系统中，GaN 在 AC 到 DC 无桥图腾柱 PFC 中提供高价值，这与成熟的基于模拟的经典升压 PFC 使用数字编程不同。

GaN 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，以简化转换器/逆变器的设计和制造，也有助于降低系统成本。

图 2：EV/HEV GaN 应用

Transphorm 的垂直整合业务方法在每个开发阶段都利用了业界最有经验的 GaN 工程团队：设计、制造、设备和应用支持。

这种方法得到业界最大的 IP 组合之一的支持，拥有超过 1000 项专利，已经产生了业界唯一符合 JEDEC 和 AEC-Q101 标准的 GaN FET。Transphorm 的创新使电力电子设备超越了硅的限制，实现了 99% 以上的效率、40% 以上的功率密度和 20% 的系统成本降低。

高压 GaN 技术使众多需要可靠的更高效率和更高性能功率转换的市场受益。主要应用领域如下：

数据中心、基础设施和 IT 电源：GaN 增加了标准化服务器和电信外形规格中的清洁电源输出；

工业 UPS 和电池充电器：GaN 技术减小了运行工业工厂、为电池供电的叉车、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，从而实现了更好的热管理、更高的功率密度和更低的系统成本。

高压 (HV) 氮化镓 (GaN)-650-950 V 场效应晶体管 (FET) 正在成为电源转换的下一个标准。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。此外，与 Si MOSFET 不同，GaN 晶体管本质上是双向的，并且在无桥图腾柱功率因数校正设计中进行了优化，”Transphorm 发言人说。

图 3：LLC 拓扑和仿真原理图，全桥初级和次级

当今的电动汽车 (EV) 车载充电器 (OBC) 要求重量轻且尺寸小。Transphorm 发言人表示：“Transphorm GaN FET 和 LLC 拓扑提供的高效率和高频操作有助于实现这一目标。”

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、低漏电荷（Q OSS = C OSS (tr) * V DS）、非常快的体二极管（低 Q RR ), 低栅极驱动电流要求。


审核编辑：刘清