GaN助力打造更加高效、稳健的系统

November 15, 2024

Fanny Hu

发布于2024-11-13

氮化镓 (GaN) 电力电子器件，特别是场效应晶体管 (FET) 和高电子迁移率晶体管 (HEMT) 的采用和普及仍在持续加速中。如此受欢迎是因为它们作为硅 (Si) 金属氧化物场效应晶体管 (MOSFET) 或绝缘栅双极晶体管 (IGBT) 的替代品，能大幅提高系统的效率和稳健性。在更高频率下，GaN甚至比碳化硅 (SiC) 等其他宽禁带半导体的电力电子品质因数 (FOM) 更出色。

GaN的优势

相较于MOSFET和IGBT，GaN和SiC器件在许多电力电子应用中具有显著优势，因为其栅极电容和栅极驱动损耗更低。例如，GaN器件的栅极电荷FOM还不到1nC-Ohm，而硅器件的为4nC-Ohm。另外，SiC和GaN等宽禁带半导体比硅的输出电容更低，这意味着即使在更高的开关频率下，整体开关损耗也更小。这可以提高开关速度，并降低磁性元件（如电感器和变压器）的重量和成本。例如，GaN器件的输出电荷FOM为5nC-Ohm，约为硅器件的五分之一。虽然频率较低，但IGBT、MOSFET和SiC器件目前能够比GaN FET和HEMT处理更高的功率水平，随着GaN技术的成熟，在更高速度下，GaN器件能够管理的电压水平也开始接近SiC。除最高电压级别外，GaN正在迅速成为所有领域的首选技术，而在最高电压级别，现有的Si IGBT和MOSFET解决方案仍是主角。

GaN技术凭借其高功率密度和高频率下的高效运行能力，正在迅速占领市场份额。与Si和SiC相比，GaN具有高电子迁移率、3.4eV的宽禁带和卓越的开关FOM。这可以帮助高压电源系统降低成本，提供更好的散热能力、更高的系统密度，并在更小、更坚固的封装中提供更出色的整体效率。具体来说，GaN具有更好的反向恢复能力、更低的死区时间损耗和更快的开关速度。

GaN的应用和增长情况

GaN技术的优势正在颠覆电力电子行业。现在，智能手机、平板电脑和便携式电子设备充电器的功率密度更高，但这只是冰山一角。

GaN电子元器件正在推动电气化革命，用于更高效、更可靠的电动车 (EV) 充电桩、工业自动化控制器、电机控制器以及各种其他应用。虽然GaN晶圆的成本大约是SiC晶圆的10倍，Si晶圆的100倍，^[1]但通过采用硅基氮化镓 (GaN-on-Si)、蓝宝石基氮化镓 (GaN-on-sapphire)、碳化硅基氮化镓 (GaN-on-SiC) 或其他绝缘层上覆半导体技术，可以降低GaN器件的整体成本，同时还可能提高某些性能指标。例如，GaN的导热性低于SiC，但碳化硅基氮化镓却可以受益于SiC的高导热性，同时提供比SiC更高的功率密度和开关速度。相反，硅基氮化镓的成本远低于其他GaN技术，同时与硅相比，它还能为电力电子设备提供一系列性能优势。GaN技术继续赢得传统市场的信任，整体市场份额增长迅速。Yole Intelligence预测，从2023年到2029年，GaN的复合年增长率 (CAGR) 将达到46%，其中增长最高的领域是移动、消费、汽车和交通行业。^[2]

面临的挑战

GaN技术虽有优势，却是以更复杂的驱动电子系统为代价。为了实现最佳性能并防止器件过早发生故障，必须考虑GaN器件的细微差别。为了让GaN器件实现更高的开关速度，设计人员还必须采用更快、更精确的控制系统和电子设备。

另一个挑战是铝GaN (AlGaN) 和GaN HEMT器件的电流崩塌。对于这些器件，漏极的高偏置电压会导致漏电流下降，这可能是载流子陷阱引起的。而且，由于表面状态/效应产生的极化电荷发生变化，AlGaN或GaN导电通道中的二维电子气 (2DEG) 浓度降低，会导致发生电流崩塌。最后，即使ALGaN或GaN的能带结构边界和材料结构出现轻微的扰动，也可能导致2DEG浓度降低。

通过适当的器件和电路设计，工程师们可以克服这些挑战，充分发挥GaN器件的潜力。为满足这些要求，用于GaN FET的Analog Devices LTC7890/LTC7891同步降压控制器包含许多功能，可应对在功率器件设计中使用GaN FET时面临的挑战。具体来说，这些DC-DC开关稳压器可确保防止高侧驱动器电源（图1）过充，并且无需使用续流二极管、钳位二极管或自举二极管。LTC7890/LTC7891控制器具有智能近零死区时间、电阻调整的死区时间、内部优化以及内部智能自举开关。

图1：使用GaN FET的同步降压控制器具有内部优化和智能近零死区时间，可在高频下实现高效率运行。（图源：Analog Devices）

另一个例子是Analog Devices LT8418半桥GaN驱动器，它是一款100V器件，集成了保护功能、驱动器逻辑控制以及顶部和底部驱动器级。LT8418可配置为同步半桥或全桥拓扑，甚至可配置为降压、升压或降压-升压拓扑。该驱动器还具有分离栅极驱动器来调整开/关压摆率，从而抑制振铃并优化EMI性能，同时具有低状态默认驱动器以防止GaN FET误开启。

结语

宽禁带半导体技术在过去几年中不断成熟，性能不断提升，对这类器件的需求推动了研发工作的开展。特别是GaN技术已经开始进入许多市场，因为这些器件在更高频率下能够提供比Si和SiC技术更高的功率密度。虽然GaN器件的成本仍高于Si和SiC，但随着GaN器件性能的提升和成本的降低，更大的晶圆尺寸和更成熟的工艺将有可能使GaN在众多市场得到更广泛的应用。