相對于硅（Si）和碳化硅（SiC），GaN有哪些優(yōu)勢

從廣泛的工業(yè)和消費(fèi)電子產(chǎn)品到快速發(fā)展的電動(dòng)汽車行業(yè)，無數(shù)的應(yīng)用市場都在推動(dòng)著對高效電源轉(zhuǎn)換解決方案的巨大需求。為了滿足相關(guān)電力系統(tǒng)的高質(zhì)量，高性能要求，并且繼續(xù)實(shí)現(xiàn)電力轉(zhuǎn)換技術(shù)的重大革新，目前產(chǎn)業(yè)界正在引入硅基氮化鎵（GaN-on-Si，以下簡稱GaN）方案。

相對于硅（Si）和碳化硅（SiC）而言，固有的GaN性能優(yōu)勢包括：

GaN具有優(yōu)異的材料性能。

GaN在所有功率轉(zhuǎn)換中提供了更高的效率和最低的損耗。

GaN可以在更高的頻率下工作。

GaN的相對成本優(yōu)勢：

GaN比SiC便宜。

GaN的總體系統(tǒng)成本低于Si。

GaN的路線圖已接近器件級別與Si的價(jià)格均等的地位。

自2013年推出首批600 V GaN功率器件以來，GaN功率電子器件已以強(qiáng)勁的預(yù)計(jì)增長，越來越多地被市場接受。如今，最常用的GaN晶體管的額定電壓為600 V或650V。但是，這些設(shè)備每個(gè)設(shè)備只能輸出2 kW至5 kW的功率。

Transphorm的GaN革命

在許多不同的市場和應(yīng)用中，需要能夠提供5 kW 以上功率電平的單個(gè)分立設(shè)備，例如數(shù)據(jù)中心機(jī)架式電源，可再生串式逆變器和電動(dòng)汽車車載充電等。Transphorm通過有效地縮放其高壓D型GaN HEMT并將其與低壓增強(qiáng)型Si MOSFET集成在TO-247封裝中以形成大功率級聯(lián)開關(guān)，從而滿足了這一需求。這種集成將Transphorm的GaN高性能與易于驅(qū)動(dòng)的Si MOSFET結(jié)合在一起，在能夠處理大功率應(yīng)用的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)通孔封裝中實(shí)現(xiàn)了兩全其美。

最終的器件是額定電壓為650 V的FET，具有4 V的高閾值，小于15mΩ的導(dǎo)通電阻以及類似于單芯片的封裝。通過使用簡單的柵極驅(qū)動(dòng)器（就像Transphorm的所有FET一樣），GaN器件與競爭對手的SiC MOSFET相比，具有更快的開關(guān)轉(zhuǎn)換和更低的開關(guān)損耗。當(dāng)在240 V：400 V半橋同步升壓轉(zhuǎn)換器中實(shí)現(xiàn)時(shí)，可實(shí)現(xiàn)12 kW輸出功率，峰值效率大于99％。

設(shè)設(shè)計(jì)與性能

集成的GaN HEMT和Si MOSFET如圖1所示。圖1（b）所示為簡單的單芯片式引線鍵合配置。當(dāng)前可用的增強(qiáng)模式GaN器件的柵極驅(qū)動(dòng)裕度相對較差，因此僅限于使用表面貼裝封裝。這使得此類增強(qiáng)模式設(shè)備通常僅適用于2 kW以下的應(yīng)用。這與共源共柵開關(guān)的耗盡型相反，后者允許將TO-247通孔封裝用于幾倍高的散熱能力。

圖1（c）顯示了Transphorm的TO-247封裝中的最終GaN器件，其中GSD引腳引出，金屬焊盤是自然信號流的通用源，以促進(jìn)良好的輸入輸出隔離。它具有+/- 20 V的可靠柵極電壓額定值和+4 V的高閾值（VTH）。它還具有高VTH和低QG，從而使GaN FET容易驅(qū)動(dòng)，而沒有競爭器件需要尖峰鉗位或負(fù)VG。

圖1. 2芯片常關(guān)級聯(lián)GaN FET（a）電路表示。（b）內(nèi)部包裝配置。（c）TO-247中的成品器件，其GSD引腳分配和金屬焊盤作為另一個(gè)S端子。

斷態(tài)泄漏測量顯示，在650 V額定電壓以上具有較大的電壓裕量，在25℃時(shí)為1200 V，在175℃時(shí)為1000 V的軟擊穿電壓。此外，由于Si MOSFET體二極管和開放的GaN HEMT通道，GaN FET在截止?fàn)顟B(tài)下具有出色的反向傳導(dǎo)能力，在100℃額定電流60A時(shí)具有1.5V的低壓降。

開關(guān)和轉(zhuǎn)換器性能

為了評估最終的開關(guān)性能，構(gòu)建了一個(gè)具有低端和高端設(shè)備的半橋同步升壓轉(zhuǎn)換器電路（如圖2（a）所示的Q1和Q2）。240 V：400 V升壓轉(zhuǎn)換器在70 kHz時(shí)進(jìn)行了測試，性能與圖2（b）所示的輸出功率以及競爭的SiC MOSFET的輸出功率有關(guān)，與SiC MOSFET相比，損耗降低了25％（11 kW）。圖2（c）展示了損耗分析。

GaN轉(zhuǎn)換器優(yōu)于SiC轉(zhuǎn)換器，可提供12 kW的輸出功率，峰值效率遠(yuǎn)高于99％。如圖2（c）的損耗分解所示，GaN轉(zhuǎn)換器的較低損耗歸因于開關(guān)損耗的降低，這是由于GaN相對于SiC具有更好的電子傳輸能力，因此開關(guān)速度更快?？紤]到系統(tǒng)中的所有其他損耗（包括電感器的顯著ESR），即使在12 kW時(shí)，GaN器件的效率也估計(jì)接近99％。盡管GaN器件的結(jié)殼熱阻高于SiC器件（分別為0.4oC / W和0.35oC / W），但在輸出功率為12 kW時(shí)，Q1 GaN FET的結(jié)溫估計(jì)為139oC ，而SiC MOSFET的功率僅在11 kW時(shí)為166oC，在12 kW時(shí)將超過175oC。這體現(xiàn)了GaN所具有的電氣性能的重要性。

圖2.（a）橋式升壓轉(zhuǎn)換器電路的簡化示意圖。（b）使用GaN FET和SiC MOSFET在70 kHz下對240 V：400 V半橋轉(zhuǎn)換器的效率性能比較。（c）11 kW時(shí)的傳導(dǎo)，開關(guān)，無源和總功率損耗。

Transphorm的GaN平臺不斷發(fā)展。該公司的第五代SuperGaN器件目前采用TO-247封裝，能夠驅(qū)動(dòng)10 kW以上的功率（取決于應(yīng)用），具有一流的可靠性和匹配性能。

本文作者：
Transphorm高級經(jīng)理 Carphor Neufeld
Transphorm工程部高級副總裁 Wu Yifeng
編輯：hfy