基于GaN的晶體管尺寸和功率效率加倍

無論是在太空還是在地面，這些基于GaN的晶體管都比硅具有新的優勢。

三個組織上個月發布了新型 GaN 功率晶體管，這些晶體管在效率、穩健性和獨特環境的適用性方面取得了長足進步。

新型 GaN 器件以更小的封裝提供更高的效率、穩健性和控制能力。

電力電子領域對下一代高電壓、大電流晶體管提出了獨特的要求，特別是對于開關電源或電機驅動器。因此，新型 GaN 晶體管允許電子產品在新環境中運行，其性能可與 SiC 或 IGBT 技術相當。

本文仔細研究了三款夏季發布的 GaN 晶體管，讓讀者了解每款產品如何使設計人員受益并塑造高功率器件的未來。

?Transphorm 專注于新型 GaN 晶體管的魯棒性

本次綜述的開端是Transphorm 最新的 GaN 功率晶體管，據報道，未來功率逆變器的短路魯棒性高達 5 微秒。隨著電動機變得越來越普遍，許多設計人員擔心 GaN 電力電子器件承受高電壓和高電流短路情況的能力。為此，Transphorm 聲稱其功率晶體管是邁向穩健的 GaN 逆變器的重要一步。

與傳統增強型 FET 相比，Transphorm 共源共柵 GaN FET 為電動汽車或電源逆變器等高可靠性應用提供了更高的抗擾度和魯棒性。

當響應短路時，系統的控制電子設備可能需要幾微秒的時間才能斷電。因此，電力電子設備必須承受短路直至斷電。前幾代GaN器件僅表現出數百納秒量級的短路魯棒性，限制了GaN器件的實際應用。然而，利用最新的 Transphorm 器件，設計人員現在可以在任何晶體管受到不可挽回的損壞之前切斷電源。

Transphorm 計劃在 2024 年的一次大型電力電子會議上展示有關該晶體管的更多細節。不過，我們確實知道該晶體管本身使用共源共柵架構來提高器件的魯棒性，并與增強模式器件相比提供其他改進。

?EPC Space 將 GaN 帶到大氣層邊緣

EPC Space 將 GaN 推向了最后的前沿，推出了兩款新型抗輻射 GaN 晶體管，用于太空應用中的高電流開關。隨著商業衛星數量的不斷增加，設計人員需要更多的空間就緒電力電子產品選擇，并提高電流處理能力。

EPC Space GaN 晶體管通過專為太空應用打造的密封防輻射封裝中的 GaN 物理優勢，為設計人員提供更高的性能。

這兩款新型晶體管EPC7020G和EPC7030G采用密封封裝，占地面積小而堅固。兩者均可處理 200 A 脈沖，并加入現有的 EPC70XX GaN 晶體管系列。

EPC7020G 可承受高達 200 V 的電壓，導通電阻為 14.5 mΩ；EPC7030G 可承受 300 V 的電壓，導通電阻為 32 mΩ。雖然 EPC Space 將電源、電機驅動和各種其他儀器儀表任務作為新型抗輻射 GaN 器件的主要受益者，但如果 GaN 器件相對于抗輻射硅 MOSFET 表現出足夠的改進，應用范圍可能會遠遠超出所列出的范圍。

?羅姆致力于 GaN 小型化

最后，為了提高功率和面積效率，Rohm Semiconductor 開發了兩個帶有內置 GaN HEMT 和柵極驅動器的650 V GaN 功率級，以實現比硅更小、更簡單的解決方案。

BM3G007和BM3G015這兩個新功率級均支持高達 650 V 的電壓，相應的導通電阻分別為 70 mΩ 和 150 mΩ。然而，與硅芯片相比，新芯片的亮點在于效率的提高。

Rohm EcoGaN 功率級為設計人員提供了在更小的整體尺寸下提高效率的能力，為使用 GaN 電力電子器件的新應用鋪平了道路。

Rohm 報告稱，與分立硅 FET 相比，使用其功率級 IC 時，損耗降低了 55%，體積減小了 99%，從而在設計緊湊型電子產品時提供了更大的空間。GaN 固有的更快開關速度同時減小了 GaN 器件和外部無源元件的尺寸。兩個功率級以及模塊的評估板現已上市。

?GaN 的成熟過程仍在繼續

盡管 GaN 對于電氣工程師來說并不是一種萬能的解決方案，但它與硅相比的物理差異無疑使其成為更小、更高效的電力電子產品的有力競爭者。特別是當比較硅和氮化鎵基器件的相對年齡時，氮化鎵仍然擁有光明的創新前景。隨著 GaN 工藝的成熟，該材料本身可能會成為更高效的電源、電機驅動器和更多高功率電子產品的基礎。

據Yole Group 旗下 Yole Intelligence在《功率 SiC/GaN 化合物半導體市場監測》中表示，GaN 技術繼續主要在消費類應用領域取得進展，特別關注快速智能手機充電器。Power Integrations 和 Navitas 引領市場，贏得了智能手機制造商的多項設計勝利。例如，Innoscience 宣布 2023 年第一季度 GaN 器件的出貨量超過 5000 萬個，主要針對消費電力應用。他們的40V GaN產品已經在OPPO和Realme的旗艦手機中占有一席之地。另一方面，繼 MacBook Pro 16 英寸 140W 充電器取得成功之后，GaN Systems 又推出了適用于 MacBook Air M2 13 英寸 512GB 型號和 Apple 15 英寸型號的 70W 充電器。2023 年第 2 季度，Navitas 贏得了小米 13 Ultra 90W 超快“內置”充電器的設計獎。快速智能手機充電器的功率水平明顯高于 75W，預計這將增加 GaN 技術的采用。從長遠來看，電信和數據通信應用在需要高效電源轉換以滿足二氧化碳排放目標以及電動汽車中的車載充電器和 DC-DC 轉換器的推動下，為 GaN 帶來了巨大的增長機會， 2028 年市場規模有望超過 20 億美元。