GaN HEMT：用于电力电子设备的新一代半导体

September 22, 2024

Aimee Smith

发布于2024-09-23

自20世纪60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配。尽管如此，各种技术的进步，尤其是汽车和消费电子领域，也带来了新的挑战，让开发人员不得不寻求以越来越小的外形尺寸提供更高的效率和更大的功率密度。从大型数据中心和壁挂式交流适配器到车载充电器，各种电源都需要高电压，同时尽可能缩小尺寸以节省宝贵的电路板空间。自动驾驶汽车需要更高效的能量分配，以驱动越来越多的成像设备和传感器，用于导航和探测潜在的障碍物。虽然硅基半导体在要求较高的应用中已基本达到极限，但氮化镓 (GaN) 半导体横空出世，正日益成为应对此类设计挑战的理想解决方案。

了解GaN HEMT

GaN HEMT（高电子迁移率晶体管）不一定在每种设计场景中都比Si MOSFET、碳化硅 (SiC) MOSFET或IGBT（绝缘栅双极晶体管）更优秀。它们只是特别适合在中等电压范围内要求高频性能的应用。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，更适合汽车牵引逆变器和大型太阳能发电场等对电流要求较高的应用。尽管提供的功率低于SiC MOSFET，但GaN HEMT的工作频率更高（超过200kHz），切换速度更快，传输损耗更低。虽然功率密度与传统Si MOSFET接近，但GaN HEMT能以更高的频率工作，因此非常适合无线充电应用。SiC MOSFET和IGBT更适合需要较高功率但效率较低的设备（例如电动车、大型工业机械），或服务器农场等耗电量巨大的设备。

而且，GaN HEMT的尺寸比传统MOSFET更小，同时制造成本和运行成本更低。GaN技术使用的原材料也比SiC器件的原材料便宜得多。例如，生产GaN所需的热量比SiC少，制造商可以显著节省能源。并且，GaN器件与大多数集成电路一样，是在硅基片上开发，因此开发人员能够使用现有的生产方法和设施来生产GaN HEMT，几乎不需要改造。最后，与SiC MOSFET相比，GaN HEMT的生产后运行所消耗的功率更少，冷却要求更低，因此所需的运行能量也更低，从而能为消费者节省更多成本。

GaN HEMT的一个缺点是，由于其最佳驱动电压范围较窄，在某些应用中需要与栅极驱动器配合使用。如果驱动电压过低（低于2V），该器件可能会发生故障并自行开启；如果栅极耐压过低，栅极本身可能会损坏。GaN应用的最佳驱动电压在4.5V到6V之间，低于这个范围可能无法开启，高于这个范围则可能会烧毁电路。集成外部栅极驱动器有助于提高晶体管性能，但会在电路板上占用更多空间，这是开发人员必须考虑的因素。不过与硅基器件相比，GaN器件产生的热量更少，冷却要求更低，对于客户来说，可能会进一步降低能源和维护成本。

使用分立式GaN HEMT的诸多优势可能会受到上述缺点的显著影响，但这些缺点是可以克服的。GaN HEMT的一个优点是它们可以与其他集成电路构建在同一基板上，从而在同一器件中加入更多的电路。例如，用于将驱动电压控制在所需范围内的电路，可防止低电压意外开启器件或驱动栅极电压过高而损坏器件。同时，集成解决方案的成本通常低于分立解决方案，占用的电路板空间更少，寄生效应更小，电路板布局也更简单。从性能角度来看，与多器件方案相比，集成解决方案可以保持甚至提高GaN HEMT的高工作频率优势。另外可靠性也会得到提升，这对于许多电力传输应用来说是非常重要的优势。

ROHM Semiconductor的Nano Cap™ 650V GaN HEMT Power Stage IC将GaN技术的高功率密度和效率与硅驱动器相结合，构成完全集成的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等电压应用，还可以用于工业应用和高密度电源。ROHM的GaN IC对冷却的要求较低，因此对散热片和其他冷却机制的需求也相应减少，从而可以进一步节省物理电路板空间。事实上，随着技术的不断发展，GaN IC凭借更小的尺寸（和更高的效率）最终超越硅基IC也很正常，特别是与栅极驱动器一起使用时。对于需要超高频率运行和最小化损耗的移动应用，ROHM的Nano Cap 650V GaN HEMT Power Stage IC提供了完整且高效的解决方案。