氮化鎵的發(fā)展趨勢及應用

與硅器件相比，由于氮化鎵的晶體具備更強的化學鍵，因此它可以承受比硅器件高出很多倍的電場而不會崩潰。這意味我們可以把晶體管的各個電端子之間的距離縮短十倍。這樣可以實現更低的電阻損耗，以及電子具備更短的轉換時間?？偟膩碚f，氮化鎵器件具備更快速的開關、更低的功率損耗及更低的成本優(yōu)勢。

性能優(yōu)越

優(yōu)越的功率器件必需具備以下6個特性：1)器件需要具備更低的傳導損耗、更低的阻抗;2)開關必需更快速并在硬開關應用中如降壓轉換器具備更低的損耗;3)更低的電容、更少充電及放電損耗;4)驅動器使用更少功率;5)器件更細小(縮小占板面積)及6)因為需要更高輸出電流和功率密度而需要更低的熱阻。

我們?yōu)楣こ處煄砜芍С忠庀氩坏降娜骂I域的功率器件。在電阻方面，之前我們在DC/DC轉換器并聯氮化鎵場效應晶體管(eGaN FET)從而實現更高的輸出電流?？墒?，這會增加元件的數量、成本及復雜性并降低功率密度。與第二代氮化鎵器件相比，第四代eGaN FET可以大大降低阻抗，從而使得基于eGaN FET 的DC/DC轉換器具備更大電流及高功率密度。如圖1所示，采用第四代30 V 的eGaN FET的轉換器的阻抗只是1 mΩ，即降低了阻抗達2.6倍。如果采用第四代100 V的eGaN FET，與第二代100 V的器件相比，阻抗只有2.4 mΩ，即降低了阻抗達2.3倍。

圖1：第二代及第四代氮化鎵器件的阻抗的比較。

Drain to source：漏源電壓

此外，與等效的先進硅功率MOSFET相比，第四代eGaN FET減少硬開關FOM達5倍(200 V器件)、 8倍( 100 V器件)及 4.8倍(40 V器件)，見圖2。

圖2：第二代及第四代氮化鎵器件的硬開關FOM并與硅功率MOSFET的比較。

至于封裝方面，eGaN FET如果使用MOSFET的傳統(tǒng)封裝不會比MOSFET更好。如果使用芯片規(guī)模封裝，結果卻截然不同。圖3是在PCB板上的一個典型晶體管的截面圖。熱量主要從兩個途徑散出：從焊錫接面散進PCB板(如RθJB展示)或從晶體的背部散出(RθJC)，之后，外殼至環(huán)境的熱阻(RθCA)及電路板至環(huán)境的熱阻(RθBA)將影響散熱效率。雖然eGaN FET比先進的硅MOSFET的體積更小，使得熱阻相對于可散熱的面積來說應該增加了。然而，eGaN FET的封裝具備超低的結點至電路板熱阻(RθJB)并與MOSFET的封裝的熱阻相等。

圖3：氮化鎵器件的散熱效率。

Silicon Substrate：硅襯底

Active GaN Device Region：活躍氮化鎵器件區(qū)域

最重要的是，eGaN FET可以雙面散熱從而可以進一步提高其散熱效率。至于從結點至外殼(RθJC)的熱阻，除了30 V的MOSFET具有與eGaN FET可比的熱阻外，在更高壓時，eGaN FET具備無可匹敵的散熱性能。

電源轉換系統(tǒng)可提高效率

圖4展示了eGaN FET與先進硅MOSFET模塊相比較的電源轉換效率，從實驗結果可以看到，eGaN FET 12 V轉1.2 V、40 A的負載點轉換器工作在1MHz開關頻率時可實現超過91.5% 效率。此外，一個采用eGaN FET的器件、48 V 轉12 V、 40 A的硬開關降壓轉換器而成為一個非隔離型DC/DC中間總線轉換器工作在300 kHz的頻率時可以實現超過98%的效率(圖5)。

圖4：氮化鎵器件可以提高DC/DC轉換效率。

圖5：eGaN FET在更高壓的DC/DC轉換器可以提高效率。

MOSFET Module：MOSFET 模組

Loss Reduction：損耗降低

Output Current：輸出電流

Efficiency：效率

業(yè)界首個氮化鎵IC

由于減少了需要互相連接2個分立式晶體管的板位，單片式半橋器件IC系列(EPC2100)可縮小占板面積大約 30%，從而縮小整體的系統(tǒng)尺寸，而且，因為速度增加了，因此可以去除功率環(huán)路電感。在1 MHz的工作頻率下，分立式FET在更大電流下更具優(yōu)勢，這是由于下面的分立式FET具備更低的導通損耗?？墒?，在4 MHz時，單片式eGaN FET比分立式FET的性能優(yōu)越很多，這是因為減小了寄生電感，改善了版圖及技術(圖6)。我們也可以利用更高壓的單片式半橋eGaN FET(例如80 V 的EPC2105)高效地實現從48 V轉至1 V的單級轉換。