GaN屬于此類半導體，特別適用于電源應用，因為與硅相比，它具有優越的特性：具體而言，在與 Si 或 SiC 相同的工作頻率下工作時，它能夠更快地進行內部切換。, 其卓越的電子遷移率提高了 2 倍，從而降低了內部開關損耗， 其較低的寄生電感帶來了更高的工作頻率，尤其是在軟開關拓撲中，基于其更高的臨界電場強度 (3.3 MV)，給定尺寸的芯片具有更高的工作電壓/cm) 與使用硅的 0.3 MV/cm 相比，都導致更高的效率。

由于其化學物理特性和高度可靠的制造工藝，多年來，硅一直是制造無源和有源電子元件最常用的半導體。

MOSFET 和 IGBT 技術的引入還使硅能夠在功率應用中使用，其特點是電流和電壓特別高。

然而，今天，這種半導體的性能幾乎完全達到了其理論極限，突出了硅基技術的一些缺點，特別是：有限的散熱、有限的效率和不可忽略的傳導損耗。

近年來開展的研究活動使得確定一些材料成為可能，這些材料被稱為寬帶隙半導體 (WBG)，其特性能夠克服硅的限制。

與基于硅的傳統解決方案相比，在電源轉換器等應用中使用氮化鎵可實現顯著改進：更高的功率效率、更小的尺寸、更輕的重量和更低的總體成本。

雖然開關損耗隨著頻率的增加而增加，但增加工作頻率可以導致更小的外形尺寸和更低的整體系統成本。

GaN 具有卓越的電子遷移率，可通過減少對龐大的散熱器和冷卻系統的需求、減少電源的重量和尺寸來實現熱性能，從而減少交叉損耗。

氮化鎵：特性

除了 GaN 之外，WBG 半導體系列還包括同樣著名的碳化硅 (SiC)，其包含的材料具有相對較大的能帶隙，尤其是與硅相比時。

也稱為禁帶，該帶代表價帶上限與導帶下限之間存在的能隙。正是這種帶隙的存在，使半導體能夠通過一些外部可控的電氣參數在開和關狀態之間切換。

氮化鎵的帶隙等于 3.4 eV，明顯高于硅的帶隙 (1.2 eV)。氮化鎵電子的更大遷移率導致更高的開關速度，因為通常會在結上積累的電荷可以更快地分散。更寬的帶隙還允許更高的溫度操作。隨著溫度的升高，價帶中電子的熱能增加，直到一旦超過某個溫度閾值，它們就會進入傳導區。對于硅，該溫度閾值約為 150 °C，而對于 GaN，它甚至高于 400 °C。寬帶隙也意味著更高的擊穿電壓。在相同的擊穿電壓下，因此可以創建更薄的層，

圖 1：與擊穿電壓相關的導通電阻圖

與傳統的硅技術相比，GaN 的主要優勢可以總結如下：

效率高、占地面積小、重量輕；

高功率密度；

高工作頻率和開關頻率；

低導通電阻；

接近零反向恢復時間。

引領氮化鎵革命

由于其與硅相比的優越性能，氮化鎵在要求高效、可靠且能夠減小應用尺寸、重量和成本的功率器件的領域中迅速普及。

越來越面向混合動力和電動汽車的汽車行業可以從在以下設備中使用 GaN 中受益匪淺：DC-AC 逆變器、DC-DC 轉換器、AC-DC 車載充電器、EV 動力系統等（見圖 2） ）。

氮化鎵 (GaN) 現在是電源轉換的流行選擇。650-900 伏范圍內的高壓 (HV) GaN HEMT (GaN FET) 正在成為電源轉換的下一個標準。650V GaN FET 具有減小尺寸（形狀因數）和節能（高效率）的能力，現已被大眾市場采用。

在系統中，GaN 在 AC 到 DC 無橋圖騰柱 PFC 中提供高價值，這與成熟的基于模擬的經典升壓 PFC 使用數字編程不同。

GaN 提供具有成本競爭力、易于嵌入的解決方案，可將能量損失降低 50% 以上，將系統尺寸縮小 40% 以上，以簡化轉換器/逆變器的設計和制造，也有助于降低系統成本。

圖 2：EV/HEV GaN 應用

Transphorm 的垂直整合業務方法在每個開發階段都利用了業界最有經驗的 GaN 工程團隊：設計、制造、設備和應用支持。

這種方法得到業界最大的 IP 組合之一的支持，擁有超過 1000 項專利，已經產生了業界唯一符合 JEDEC 和 AEC-Q101 標準的 GaN FET。Transphorm 的創新使電力電子設備超越了硅的限制，實現了 99% 以上的效率、40% 以上的功率密度和 20% 的系統成本降低。

高壓 GaN 技術使眾多需要可靠的更高效率和更高性能功率轉換的市場受益。主要應用領域如下：

數據中心、基礎設施和 IT 電源：GaN 增加了標準化服務器和電信外形規格中的清潔電源輸出；

工業 UPS 和電池充電器：GaN 技術減小了運行工業工廠、為電池供電的叉車、電動汽車充電并保持關鍵數據可訪問的系統的尺寸和重量；

汽車和電動汽車充電：GaN 每次充電可產生更長的距離，同時降低整體系統成本；

消費和計算：GaN 技術提高了適配器、游戲和電源的效率，從而實現了更好的熱管理、更高的功率密度和更低的系統成本。

高壓 (HV) 氮化鎵 (GaN)-650-950 V 場效應晶體管 (FET) 正在成為電源轉換的下一個標準。它們提供具有成本競爭力、易于嵌入的解決方案，可將能量損失降低 50% 以上，將系統尺寸縮小 40% 以上，并簡化電源轉換器/逆變器的設計和制造。

“Transphorm 的 GaN FET 的開關速度比硅解決方案快 4 倍。此外，與 Si MOSFET 不同，GaN 晶體管本質上是雙向的，并且在無橋圖騰柱功率因數校正設計中進行了優化，”Transphorm 發言人說。

圖 3：LLC 拓撲和仿真原理圖，全橋初級和次級

當今的電動汽車 (EV) 車載充電器 (OBC) 要求重量輕且尺寸小。Transphorm 發言人表示：“Transphorm GaN FET 和 LLC 拓撲提供的高效率和高頻操作有助于實現這一目標。”

Transphorm GaN FET 特別適合 LLC 和其他高頻諧振應用，原因如下：快速開關、低漏電荷（Q OSS = C OSS (tr) * V DS）、非常快的體二極管（低 Q RR ), 低柵極驅動電流要求。


審核編輯：劉清