相对于硅（Si）和碳化硅（SiC），GaN有哪些优势

从广泛的工业和消费电子产品到快速发展的电动汽车行业，无数的应用市场都在推动着对高效电源转换解决方案的巨大需求。为了满足相关电力系统的高质量，高性能要求，并且继续实现电力转换技术的重大革新，目前产业界正在引入硅基氮化镓（GaN-on-Si，以下简称GaN）方案。

相对于硅（Si）和碳化硅（SiC）而言，固有的GaN性能优势包括：

GaN具有优异的材料性能。

GaN在所有功率转换中提供了更高的效率和最低的损耗。

GaN可以在更高的频率下工作。

GaN的相对成本优势：

GaN比SiC便宜。

GaN的总体系统成本低于Si。

GaN的路线图已接近器件级别与Si的价格均等的地位。

自2013年推出首批600 V GaN功率器件以来，GaN功率电子器件已以强劲的预计增长，越来越多地被市场接受。如今，最常用的GaN晶体管的额定电压为600 V或650V。但是，这些设备每个设备只能输出2 kW至5 kW的功率。

Transphorm的GaN革命

在许多不同的市场和应用中，需要能够提供5 kW 以上功率电平的单个分立设备，例如数据中心机架式电源，可再生串式逆变器和电动汽车车载充电等。Transphorm通过有效地缩放其高压D型GaN HEMT并将其与低压增强型Si MOSFET集成在TO-247封装中以形成大功率级联开关，从而满足了这一需求。这种集成将Transphorm的GaN高性能与易于驱动的Si MOSFET结合在一起，在能够处理大功率应用的行业标准通孔封装中实现了两全其美。

最终的器件是额定电压为650 V的FET，具有4 V的高阈值，小于15mΩ的导通电阻以及类似于单芯片的封装。通过使用简单的栅极驱动器（就像Transphorm的所有FET一样），GaN器件与竞争对手的SiC MOSFET相比，具有更快的开关转换和更低的开关损耗。当在240 V：400 V半桥同步升压转换器中实现时，可实现12 kW输出功率，峰值效率大于99％。

设设计与性能

集成的GaN HEMT和Si MOSFET如图1所示。图1（b）所示为简单的单芯片式引线键合配置。当前可用的增强模式GaN器件的栅极驱动裕度相对较差，因此仅限于使用表面贴装封装。这使得此类增强模式设备通常仅适用于2 kW以下的应用。这与共源共栅开关的耗尽型相反，后者允许将TO-247通孔封装用于几倍高的散热能力。

图1（c）显示了Transphorm的TO-247封装中的最终GaN器件，其中GSD引脚引出，金属焊盘是自然信号流的通用源，以促进良好的输入输出隔离。它具有+/- 20 V的可靠栅极电压额定值和+4 V的高阈值（VTH）。它还具有高VTH和低QG，从而使GaN FET容易驱动，而没有竞争器件需要尖峰钳位或负VG。

图1. 2芯片常关级联GaN FET（a）电路表示。（b）内部包装配置。（c）TO-247中的成品器件，其GSD引脚分配和金属焊盘作为另一个S端子。

断态泄漏测量显示，在650 V额定电压以上具有较大的电压裕量，在25℃时为1200 V，在175℃时为1000 V的软击穿电压。此外，由于Si MOSFET体二极管和开放的GaN HEMT通道，GaN FET在截止状态下具有出色的反向传导能力，在100℃额定电流60A时具有1.5V的低压降。

开关和转换器性能

为了评估最终的开关性能，构建了一个具有低端和高端设备的半桥同步升压转换器电路（如图2（a）所示的Q1和Q2）。240 V：400 V升压转换器在70 kHz时进行了测试，性能与图2（b）所示的输出功率以及竞争的SiC MOSFET的输出功率有关，与SiC MOSFET相比，损耗降低了25％（11 kW）。图2（c）展示了损耗分析。

GaN转换器优于SiC转换器，可提供12 kW的输出功率，峰值效率远高于99％。如图2（c）的损耗分解所示，GaN转换器的较低损耗归因于开关损耗的降低，这是由于GaN相对于SiC具有更好的电子传输能力，因此开关速度更快。考虑到系统中的所有其他损耗（包括电感器的显着ESR），即使在12 kW时，GaN器件的效率也估计接近99％。尽管GaN器件的结壳热阻高于SiC器件（分别为0.4oC / W和0.35oC / W），但在输出功率为12 kW时，Q1 GaN FET的结温估计为139oC ，而SiC MOSFET的功率仅在11 kW时为166oC，在12 kW时将超过175oC。这体现了GaN所具有的电气性能的重要性。

图2.（a）桥式升压转换器电路的简化示意图。（b）使用GaN FET和SiC MOSFET在70 kHz下对240 V：400 V半桥转换器的效率性能比较。（c）11 kW时的传导，开关，无源和总功率损耗。

Transphorm的GaN平台不断发展。该公司的第五代SuperGaN器件目前采用TO-247封装，能够驱动10 kW以上的功率（取决于应用），具有一流的可靠性和匹配性能。

本文作者：
Transphorm高级经理 Carphor Neufeld
Transphorm工程部高级副总裁 Wu Yifeng
编辑：hfy