由于其化學物理特性和高度可靠的制造工藝，硅 （Si） 多年來一直是制造無源和有源電子元件最常用的半導體。MOSFET 和 IGBT 技術的引入也使得 Si 在功率應用中的應用成為可能，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它的理論極限，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識別一些材料成為可能，這些材料稱為寬帶隙 （WBG） 半導體，其特性能夠克服 Si 提供的限制。

氮化鎵 （GaN）屬于這一類半導體，特別適用于功率應用，因為它與 Si 相比具有優(yōu)越的特性——特別是在與 Si 或碳化硅 （SiC） 相同的工作頻率下工作時，它能夠更快地內部切換；由于其卓越的電子遷移率降低了內部開關損耗，電子遷移率高出 2 倍；較低的寄生電感帶來更高的工作頻率，尤其是在軟開關拓撲中；給定尺寸的裸片具有更高的工作電壓，這是基于其更高的臨界電場強度 （3.3 MV/cm），而硅的臨界電場強度為 0.3 MV/cm，所有這些都導致更高的效率。與基于 Si 的傳統(tǒng)解決方案相比，在功率轉換器等應用中使用 GaN 可實現顯著改進：更高的功率效率、更小的尺寸、更輕的重量、并降低總體成本。雖然開關損耗會增加，但由于頻率與功率損耗有關，但增加工作頻率可導致更小的外形尺寸和更低的整體系統(tǒng)成本。除了 GaN 卓越的電子遷移率、降低交叉損耗外，還可以通過減少對笨重的散熱器和冷卻系統(tǒng)的需求、減小電源的重量和尺寸來實現熱性能。

氮化鎵特性

WBG 半導體系列，除了 GaN 之外還包括同樣眾所周知的 SiC，包括具有相對較大能帶隙的材料，特別是與 Si 相比。也稱為禁帶，這個能帶代表價帶上限和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參數在開啟和關閉狀態(tài)之間切換。GaN 的帶隙等于 3.4 eV，明顯高于 Si（1.2 eV）。GaN 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溫度的操作。隨著溫度的升高，電子在價帶中的熱能增加，直到一旦超過某個溫度閾值，它們就會進入傳導區(qū)。對于 Si，這個溫度閾值約為 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。因此，在相同的擊穿電壓下，可以創(chuàng)建更薄的層，增加半導體的摻雜水平并獲得低得多的導通電阻值，如圖所示 寬帶隙也意味著更高的擊穿電壓。因此，在相同的擊穿電壓下，可以創(chuàng)建更薄的層，增加半導體的摻雜水平并獲得低得多的導通電阻值，如圖所示 寬帶隙也意味著更高的擊穿電壓。因此，在相同的擊穿電壓下，可以創(chuàng)建更薄的層，增加半導體的摻雜水平并獲得低得多的導通電阻值，如圖所示圖 1。

圖 1：與擊穿電壓相關的導通電阻圖

與傳統(tǒng)的 Si 技術相比，GaN 提供的主要優(yōu)勢可歸納如下：

效率高、占地面積小、重量輕

高擊穿電壓（600 V 以上）

高功率密度

優(yōu)良的導熱性

高工作和開關頻率

低導通電阻

高溫操作（300°C 以上）

高可靠性

接近零的反向恢復時間

引領 GaN 革命

由于與 Si 相比具有更優(yōu)越的特性，GaN 正在迅速普及到需要高效、可靠并能夠減小應用尺寸、重量和成本的功率器件的領域。汽車行業(yè)越來越傾向于混合動力和電動汽車，在 DC/AC 逆變器、DC/DC 轉換器、AC/DC 車載充電器、EV 動力系統(tǒng)等設備中使用 GaN 可以顯著受益。

GaN 現在是電源轉換的流行選擇。650 至 900 V 范圍內的高壓 GaN HEMT （GaN FET） 正在成為功率轉換的下一個標準。650-V GaN FET 憑借其在減小尺寸（外形尺寸）和節(jié)能（高效率）方面的成熟能力，現已在大眾市場中得到采用。

在系統(tǒng)中，GaN 在 AC-DC 無橋圖騰柱 PFC 中具有很高的價值，與成熟的基于模擬的經典升壓 PFC 不同，它使用數字編程。GaN 提供具有成本競爭力且易于嵌入的解決方案，可將能量損失降低 50% 以上，將系統(tǒng)尺寸縮小 40% 以上，并簡化轉換器/逆變器的設計和制造，從而有助于降低系統(tǒng)成本。

Transphorm 的垂直整合業(yè)務方法在每個開發(fā)階段利用業(yè)界最有經驗的 GaN 工程團隊：設計、制造、設備和應用支持。這種方法由擁有 1，000 多項專利的業(yè)界最大的 IP 組合之一提供支持，產生了業(yè)界唯一符合 JEDEC 和 AEC-Q101 標準的 GaN FET。Transphorm 的創(chuàng)新使電力電子產品超越了硅的限制，以實現超過 99% 的效率、40% 的功率密度和 20% 的系統(tǒng)成本降低。

高壓 GaN 技術使眾多需要可靠的高效率和高性能電源轉換的市場受益。主要應用領域如下：

數據中心、基礎設施和 IT 電源：GaN 提高了標準化服務器和電信外形尺寸的清潔電源輸出。

工業(yè) UPS 和電池充電器：GaN 技術減小了運行工業(yè)工廠、為電池驅動的叉車和電動汽車充電并保持關鍵數據可訪問的系統(tǒng)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(tǒng)成本。

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

高壓 GaN 650 至 950V FET 正在成為功率轉換的下一個標準。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(tǒng)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，”Transphorm 發(fā)言人說。“此外，與 Si MOSFET 不同，GaN 晶體管本質上是雙向的，并在無橋圖騰柱功率因數校正設計中進行了優(yōu)化。”

當今的 EV 車載充電器要求重量輕、體積小。“高效和高頻操作有助于實現這一目標，Transphorm GaN FET 和 LLC 拓撲提供的優(yōu)勢，”發(fā)言人說。

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、低漏極電荷（Q OSS = C OSS （tr） × V DS）、非常快的體二極管（低 Q RR ），以及低柵極驅動電流要求。

圖 3：具有全橋初級和次級的 LLC 拓撲和仿真原理圖

審核編輯：郭婷