GaN HEMT：未来功率半导体

 

硅基金属氧化物

自 1960 年代以来，硅基金属氧化物半导体场效应晶体管 （MOSFET） 一直是电力电子应用的标准。尽管如此，各种技术的发展（尤其是在汽车和消费电子领域）给寻求以越来越小的外形尺寸提供更高效率和更大功率密度的开发人员带来了新的挑战。从大型数据中心和墙壁插座交流适配器到汽车车载充电站，各种用途的电源都需要高电压，同时尽可能少地占用宝贵的电路板空间。自动驾驶汽车还需要更高效的能量分配，以运行越来越多的成像设备和传感器，这些设备和传感器用于导航和检测潜在障碍物。虽然硅基半导体在更高要求的实现中基本上已经达到极限，但基于 GaN（氮化镓）半导体正日益被证明是应对这些类型设计挑战的最佳解决方案。

了解 GaN HEMT

在每种设计场景中，GaN HEMT（高电子迁移率晶体管）不一定是比 Si MOSFET、碳化硅 （SiC） MOSFET 或 IGBT（绝缘栅双极晶体管）更好的选择。然而，它们特别适合需要在中压范围内具有高频性能的应用。600V GaN FET 最常用于传统电源，从个人电脑和消费电子设备到基站电源和无线充电设备。相比之下，SiC MOSFET 可提供高达 1200V 的电压，使其更适合具有更高电流要求的应用，如汽车牵引逆变器和大型太阳能发电厂。尽管提供的功率低于 SiC MOSFET，但 GaN HEMT 可在更高的频率（大于 200kHz）下工作，从而提供更快的开关速度和更低的传输损耗。尽管 GaN HEMT 具有与传统 Si MOSFET 相似的功率密度，但它们在更高频率下运行的能力使其成为无线充电应用的理想选择。SiC MOSFET 和 IGBT 更适合需要更多功率但效率较低的机组（即电动汽车、大型工业机械）或大量耗电设备（如服务器场）。

更重要的是，GaN HEMT 的外形尺寸比传统 MOSFET 更小，同时制造和运营成本更低。GaN 技术中使用的原材料也比 SiC 器件中的原材料便宜得多。例如，GaN 的生产需要的热量比 SiC 少，从而为制造商节省了大量能源。此外，与大多数集成电路一样，GaN 器件是在硅衬底上开发的，允许开发人员使用预先存在的生产方法和设施来生产 GaN HEMT，只需很少的改造。最后，GaN HEMT 的后期生产运行消耗更少的功率，需要的冷却更少，因此比 SiC MOSFET 运行能耗更低，为消费者节省了额外的成本。

GaN HEMT 的一个缺点是，由于最佳驱动电压较窄，因此在某些实施中需要与栅极驱动器结合使用。如果驱动电压过低（小于 2 伏），则器件可能会发生故障并自行导通，如果栅极耐压过低，栅极本身可能会击穿。GaN 实现的最佳驱动电压在 4.5V 和 6V 之间，任何低于 4.5V 的电压都可能意味着它不会导通，超过的电压可能会烧毁电路。集成外部栅极驱动器有助于最大限度地提高晶体管性能，但会占用电路板上的额外空间，这是开发人员必须考虑的一个因素。然而，与硅基器件相比，GaN 器件产生的热量更少，需要的冷却更少，从而有可能进一步降低客户的能源和维护成本。

使用分立 GaN HEMT 的许多好处似乎受到上述问题的严重限制，但克服这些限制是可能的。GaN HEMT 的一个优点是它们可以与其他集成电路构建在相同的衬底上，从而可以在同一器件中包含其他电路。例如，用于将驱动电压控制在所需范围内的电路，以防止低电压意外打开器件或将栅极电压驱动得太高并可能损坏器件。同时，集成解决方案通常比分立配置成本更低，占用的电路板空间更少，减少了寄生效应，并简化了电路板布局。从性能的角度来看，与多器件实现相比，集成解决方案可以保持甚至提高 GaN HEMT 的高工作频率优势。可靠性也得到了提高，这对于许多输电应用来说非常重要。

ROHM Semiconductor 的 Nano Cap™ 650V GaN HEMT 功率级 IC 将 GaN 技术的高功率密度和高效率与硅驱动器相结合，形成完全集成的 IC 解决方案。GaN IC 不仅非常适合基站充电器和电源适配器等中压应用，还可以在工业应用和高密度电源中实现。ROHM 的 GaN IC 的冷却要求较低，最大限度地减少了对散热器和其他冷却机制的需求，进一步减少了物理电路板空间。事实上，随着技术的不断发展，尤其是与栅极驱动器一起实现时，GaN 的更小尺寸（和卓越的效率）最终超越硅基 IC 也就不足为奇了。对于需要超高频操作和损耗最小化的移动应用，ROHM 的 Nano Cap 650V GaN HEMT 功率级 IC 提供了完整而高效的解决方案。

结论

氮化镓 HEMT 代表了功率半导体技术的一个有前途的前沿领域，为从消费电子产品到电力输送系统的各种应用提供了效率改进和成本优势。随着不断的进步和集成的可能性，GaN HEMT（如 ROHM Semiconductor 的 GaN HEMT）已准备好重塑电力电子的格局。