GaN行业新标杆：比业界最佳Si MOSFET效率高2%，兼容所有驱动器

电子发烧友网报道（文/吴子鹏）为了实现“双碳”（“碳达峰”和“碳中和”）目标，全球主要国家和地区在环保法规上持续收紧，给消费、汽车、工业和能源等重点领域带来了巨大的挑战。为了满足这些法规，电子电气设备只能持续追求更高的系统效率，实现更高的功率密度。

“Cambridge GaN Devices（以下简称：CGD）致力于GaN晶体管和IC的设计、开发与商业化，以实现能效和紧凑性的突破性飞跃，我们的ICeGaN 650V H2系列（以下简称：H2系列）能够帮助系统方案实现更高的效率，整体效率表现比基于业界最佳的Si MOSFET还要高2%。通过产品性能创新，帮助CGD的客户应对像美国能源效率认证中DOE LevelVII级这样的严苛认证。”在PCIM Asia 2023上，CGD亚太区FAE经理徐维利在接受记者采访时讲到。

CGD亚太区FAE经理徐维利

多维度创新让GaN器件更高效

GaN和SiC器件是PCIM Asia 2023的重头戏，霸占了一众展商展区的“C位”。原因很简单，无论是消费电子、工业电子、汽车电子，还是超大功率应用、可再生能源等领域都将受益于第三代半导体器件的创新，实现产业自身的可持续发展。

市场热潮推动相关器件快速发展，作为CGD新一代GaN功率器件，H2系列进一步突破GaN器件在效率、可靠性和易用性方面的极限。徐维利表示：“H2系列是一种增强型（eMode）硅基氮化镓（GaN-on-Si）功率晶体管，为了让器件在效率上能够得到进一步提升，器件内采用了包括创新性全集成 NL³电路，集成米勒钳位的先进箝位结构等创新设计。相较于业界最佳的Si MOSFET，其Q_G降低了10倍，Q_OSS降低了5倍，在350W SMPS（开关电源）应用中，效率高达95%。”

根据他的介绍，NL³电路是SMPS中的Standby线路，使得空载和轻负载功耗创新低。这是一个非常重要的创新，系统并非每时每刻都在满负载运转，在空载或者轻负载的情况下，经过测试，NL³电路大约在4毫秒之后将系统中不必要的供电线路全部切断，使得系统功耗进入一个非常低的水平。据悉，CGD H1系列器件运转功耗大概为1.3mA，H2系列在空负载情况下能够下降到100μA的水平。H2系列器件内部电路也得到了优化，能够降低功耗的部分都采用更小电流去驱动，最终实现的结果是H2系列的运转功耗也仅为800μA。


H2系列降低功耗的手段还包括内部集成电流检测功能，无需单独电流检测电阻器。另外，由于器件可直接焊接到接地平面的大面积覆铜区域，可以帮助优化散热和EMI，有助于实现更高的系统功率密度。

H2系列器件，图源：CGD

下图是H2系列和目前行业领先GaN竞品对比图，在65 W-USB-PD QR反激和240 W-TCM PFC + LLC应用中，H2系列有明显的低功耗优势。

65 W-USB-PD QR反激应用功耗对比，图源：CGD

240 W-TCM PFC + LLC应用功耗对比，图源：CGD

消除隐患让GaN器件更稳健

与现有Si解决方案相比，GaN可以实现更高的效率和更小的尺寸。不过，无论是目前热门的充电器适配器、其他消费类SMPS，还是光伏能源和数据通信领域，对于产品稳健性都有着很高的要求。原因在于，标准的GaN器件只能承受几百纳秒的短路，需要创新设计克服这一点以实现更高的可靠性和稳健性。而稳健性恰恰是H2系列的优势。

徐维利指出，和H1系列一样，H2系列也是基于ICeGaN栅极技术进行设计，提供超越多芯片、外部接口电路和其他单片集成驱动器HEMT的可靠性。这种智能的栅极接口，几乎消除了典型eMode GaN的弱点，过压稳健性显著提高，可提供更高的噪声抗扰阈值，实现dV/dt杂讯抑制和ESD保护。

相较于传统P-GaN GATE HEMT和其他增强型GaN器件，ICeGaN栅极技术拥有诸多先进的特性。比如，其阈值电压Vth高达3V，提供高达20V的栅极电压扩展范围。作为对比，传统P-GaN GATE HEMT的Vth约为1.5V，栅极可承受最大电压仅为7V。

因此，和业界目前最先进的650 V eMode GaN相比，H2系列在所有温度下的软开关和硬开关中的稳健性提高3倍，能够承受的极限电压达到72V。

H2系列和业界最先进650 V eMode GaN耐压对比，图源：CGD

还有一点必须要提到的是，传统P-GaN GATE HEMT需要负电压才能够安全可靠地关断，H2系列则不需要。H2系列采用集成米勒钳位的先进箝位结构，无需负栅极电压，可实现真正的零电压关断，并提高动态R_DS(ON) 性能。

徐维利解读称，传统P-GaN GATE HEMT的Vth非常低，那么在导通或者关断的时候，一个很小的干扰信号就可能导致误导通或者误关断，在一些半桥拓扑中这是非常危险的，是用户不愿意看到的情况。那么为了完全关断，就需要负电压去让传统P-GaN GATE HEMT在关断时完全截止。由于ICeGaN中Vth更高，就可以监测Gate电压，当这个电压低于Vth时，就可以启动系统中的钳位开关，将Gate和Sourse强制连接在一起，这种情况下V_GS就趋近于零。那么就可以保证Gate电压低于Vth，使器件处于完全关断的状态。

ICeGaN栅极技术，图源：CGD

“ICeGaN的零电压关断是一种更稳健、更抗干扰的切换模式，可提供卓越的栅极可靠性。”他对此强调。

从用户角度出发让GaN器件更易用

当用户选择使用GaN器件时，除了考虑到系统效率和器件稳健性等问题以外，还需要考虑易用性的问题。在GaN器件面世之前，Si MOSFET凭借开关速度高，导通电阻低，不受热失控影响等优势，成为很多应用的首选。

GaN器件将功率应用的性能推到了一个更高的水平，不过HEMT只是类似MOSFET，但电流不会流过整个衬底或缓冲层，而是流过一个二维的电子气层。如果只是简单地接入传统Si MOSFET的驱动器，很容易造成GaN器件的绝缘层、势垒或其他结构性部分被击穿，导致GaN器件永久性损坏。因此，耗尽型 (dMode)、增强型 (eMode)、共源共栅型 (Cascode) 三种GaN器件都有各自的栅极驱动系统要求。

GaN器件的平面结构，图源：CGD

如果再让用户去针对性设计一套驱动电路，无疑会造成很高的使用门槛，那么在稳健性的前提下提供易用性便是GaN器件主要竞争优势之一。

“CGD在GaN器件方面的所有创新都能够让用户直接享受‘know how’，而不是需要弄明白器件内部结构和驱动条件是什么。这样做的好处是，H2系列的驱动方式和传统Si MOSFET非常类似，采用当下广泛存在的工业栅极驱动器就可以直接驱动。”徐维利谈到，“和其他增强型GaN器件不同，H2系列兼容任何Si MOSFET驱动器。”

CGD能够做到这一点，还是要归功于ICeGaN栅极技术的创新设计。如果栅极最大可承受电压为标准的7V，那么驱动电压只能在5-7V之间，范围非常窄，很难去匹配Si MOSFET驱动器。并且，传统P-GaN GATE HEMT完全关断需要负电压，需要做额外的线路设计来满足。

ICeGaN H2 系列栅极技术集成智能栅极驱动和电流检测功能，图源：CGD

ICeGaN栅极技术将智能栅极驱动接口和电流检测功能都集成在器件内部，从器件外部来看，用户得到一个从0-20V这样宽泛的驱动电压范围，然后正电压去做钳位，负电压通过米勒钳位除掉，这样直接接入Si MOSFET驱动器就可以使用了。

从应用领域来看，H2系列器件能够满足图腾柱和单开关PFC，准谐振反激和有源钳位反激，高频LLC、PSFB DC/DC转换器等拓扑结构，可应用于充电器适配器，通用SMPS，PSU、工业SMPS和逆变器，高功率D类音频产品，光伏逆变器等丰富的领域。徐维利指出，对于650V GaN器件而言，应用拓展是循序渐进的，从消费电子到工业领域，再到伺服器电源和通信电源，对于器件的可靠性和安全性的要求越来越高。后续，CGD会逐渐将过流保护和过温保护等保护功能集成到器件内部，并开发出更多的封装类型，保障产品的持续竞争力。

在PCIM Asia 2023上，CGD展出的方案和参考设计包括LLC半桥测试板、350W高功率密度参考设计、350W PFC评估板、1.6kWLLC模组、65WQFC评估板等。

LLC半桥测试板


350W PFC评估板


65WQFC评估板

小结

目前，GaN器件在消费类快充市场已经取得了很大的成功，根据市场调研机构BCC Research的预测数据，预计到2025年全球GaN快充的市场规模将超过600亿元。当然，GaN器件的应用不局限于快充，已经逐步渗透到工业、可再生能源、通信电源和航天等领域。随着市场挑战逐步增大，对GaN器件的稳健性、可靠性和易用性要求将越来越高，在这些方面，CGD的H2系列无疑已经成为行业发展的新标杆。


更多详情，请访问CGD官方网站
https://camgandevices.com/zh/p/products-zh/?utm_source=elecfans&utm_medium=paidad