GaN屬于此類半導體，特別適用于電源應(yīng)用，因為與硅相比，它具有優(yōu)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(nèi)部切換。, 其卓越的電子遷移率提高了 2 倍，從而降低了內(nèi)部開關(guān)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(guān)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(shù)的引入還使硅能夠在功率應(yīng)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(shù)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(tǒng)解決方案相比，在電源轉(zhuǎn)換器等應(yīng)用中使用氮化鎵可實現(xiàn)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(guān)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(tǒng)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(tǒng)的需求、減少電源的重量和尺寸來實現(xiàn)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(shù)在開和關(guān)狀態(tài)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(guān)速度，因為通常會在結(jié)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(qū)。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(chuàng)建更薄的層，

圖 1：與擊穿電壓相關(guān)的導通電阻圖

與傳統(tǒng)的硅技術(shù)相比，GaN 的主要優(yōu)勢可以總結(jié)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(guān)頻率；

低導通電阻；

接近零反向恢復時間。

引領(lǐng)氮化鎵革命

由于其與硅相比的優(yōu)越性能，氮化鎵在要求高效、可靠且能夠減小應(yīng)用尺寸、重量和成本的功率器件的領(lǐng)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(yè)可以從在以下設(shè)備中使用 GaN 中受益匪淺：DC-AC 逆變器、DC-DC 轉(zhuǎn)換器、AC-DC 車載充電器、EV 動力系統(tǒng)等（見圖 2） ）。

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

在系統(tǒng)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(jīng)典升壓 PFC 使用數(shù)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(tǒng)尺寸縮小 40% 以上，以簡化轉(zhuǎn)換器/逆變器的設(shè)計和制造，也有助于降低系統(tǒng)成本。

圖 2：EV/HEV GaN 應(yīng)用

Transphorm 的垂直整合業(yè)務(wù)方法在每個開發(fā)階段都利用了業(yè)界最有經(jīng)驗的 GaN 工程團隊：設(shè)計、制造、設(shè)備和應(yīng)用支持。

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

高壓 GaN 技術(shù)使眾多需要可靠的更高效率和更高性能功率轉(zhuǎn)換的市場受益。主要應(yīng)用領(lǐng)域如下：

數(shù)據(jù)中心、基礎(chǔ)設(shè)施和 IT 電源：GaN 增加了標準化服務(wù)器和電信外形規(guī)格中的清潔電源輸出；

工業(yè) UPS 和電池充電器：GaN 技術(shù)減小了運行工業(yè)工廠、為電池供電的叉車、電動汽車充電并保持關(guān)鍵數(shù)據(jù)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(chǎn)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(shù)提高了適配器、游戲和電源的效率，從而實現(xiàn)了更好的熱管理、更高的功率密度和更低的系統(tǒng)成本。

高壓 (HV) 氮化鎵 (GaN)-650-950 V 場效應(yīng)晶體管 (FET) 正在成為電源轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器/逆變器的設(shè)計和制造。

“Transphorm 的 GaN FET 的開關(guān)速度比硅解決方案快 4 倍。此外，與 Si MOSFET 不同，GaN 晶體管本質(zhì)上是雙向的，并且在無橋圖騰柱功率因數(shù)校正設(shè)計中進行了優(yōu)化，”Transphorm 發(fā)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(fā)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(xiàn)這一目標。”

Transphorm GaN FET 特別適合 LLC 和其他高頻諧振應(yīng)用，原因如下：快速開關(guān)、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(qū)動電流要求。


審核編輯：劉清