GaN晶體管尺寸和功率效率加倍

個(gè)組織上個(gè)月發(fā)布了新型 GaN 功率晶體管，這些晶體管在效率、穩(wěn)健性和獨(dú)特環(huán)境的適用性方面取得了長(zhǎng)足進(jìn)步。

新型 GaN 器件以更小的封裝提供更高的效率、穩(wěn)健性和控制能力。

電力電子領(lǐng)域?qū)ο乱淮唠妷骸⒋箅娏?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/晶體管">晶體管提出了獨(dú)特的要求，特別是對(duì)于開關(guān)電源或電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。因此，新型 GaN 晶體管允許電子產(chǎn)品在新環(huán)境中運(yùn)行，其性能可與 SiC 或 IGBT 技術(shù)相當(dāng)。

本文仔細(xì)研究了三款夏季發(fā)布的 GaN 晶體管，讓讀者了解每款產(chǎn)品如何使設(shè)計(jì)人員受益并塑造高功率器件的未來。

Transphorm 專注于新型 GaN 晶體管的魯棒性

本次綜述的開端是 Transphorm 最新的 GaN 功率晶體管，據(jù)報(bào)道，未來功率逆變器的短路魯棒性高達(dá) 5 微秒。隨著電動(dòng)機(jī)變得越來越普遍，許多設(shè)計(jì)人員擔(dān)心 GaN 電力電子器件承受高電壓和高電流短路情況的能力。為此，Transphorm 聲稱其功率晶體管是邁向穩(wěn)健的 GaN 逆變器的重要一步。

與傳統(tǒng)增強(qiáng)型 FET 相比，Transphorm 共源共柵 GaN FET 為電動(dòng)汽車或電源逆變器等高可靠性應(yīng)用提供了更高的抗擾度和魯棒性。

當(dāng)響應(yīng)短路時(shí)，系統(tǒng)的控制電子設(shè)備可能需要幾微秒的時(shí)間才能斷電。因此，電力電子設(shè)備必須承受短路直至斷電。前幾代 GaN 器件僅表現(xiàn)出數(shù)百納秒量級(jí)的短路魯棒性，限制了 GaN 器件的實(shí)際應(yīng)用。然而，利用最新的 Transphorm 器件，設(shè)計(jì)人員現(xiàn)在可以在任何晶體管受到不可挽回的損壞之前切斷電源。

Transphorm 計(jì)劃在 2024 年的一次大型電力電子會(huì)議上展示有關(guān)該晶體管的更多細(xì)節(jié)。不過，我們確實(shí)知道該晶體管本身使用共源共柵架構(gòu)來提高器件的魯棒性，并與增強(qiáng)模式器件相比提供其他改進(jìn)。

EPC Space 將 GaN 帶到大氣層邊緣

EPC Space 將 GaN 推向了最后的前沿，推出了兩款新型抗輻射 GaN 晶體管，用于太空應(yīng)用中的高電流開關(guān)。隨著商業(yè)衛(wèi)星數(shù)量的不斷增加，設(shè)計(jì)人員需要更多的空間就緒電力電子產(chǎn)品選擇，并提高電流處理能力。

EPC Space GaN 晶體管通過專為太空應(yīng)用打造的密封防輻射封裝中的 GaN 物理優(yōu)勢(shì)，為設(shè)計(jì)人員提供更高的性能。

這兩款新型晶體管 EPC7020G 和 EPC7030G 采用密封封裝，占地面積小而堅(jiān)固。兩者均可處理 200 A 脈沖，并加入現(xiàn)有的 EPC70XX GaN 晶體管系列。

EPC7020G 可承受高達(dá) 200 V 的電壓，導(dǎo)通電阻為 14.5 mΩ；EPC7030G 可承受 300 V 的電壓，導(dǎo)通電阻為 32 mΩ。雖然 EPC Space 將電源、電機(jī)驅(qū)動(dòng)和各種其他儀器儀表任務(wù)作為新型抗輻射 GaN 器件的主要受益者，但如果 GaN 器件相對(duì)于抗輻射硅 MOSFET 表現(xiàn)出足夠的改進(jìn)，應(yīng)用范圍可能會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出所列出的范圍。

羅姆致力于 GaN 小型化

最后，為了提高功率和面積效率，Rohm Semiconductor 開發(fā)了兩個(gè)帶有內(nèi)置 GaN HEMT 和柵極驅(qū)動(dòng)器的 650 V GaN 功率級(jí)，以實(shí)現(xiàn)比硅更小、更簡(jiǎn)單的解決方案。

BM3G007 和 BM3G015 這兩個(gè)新功率級(jí)均支持高達(dá) 650 V 的電壓，相應(yīng)的導(dǎo)通電阻分別為 70 mΩ 和 150 mΩ。然而，與硅芯片相比，新芯片的亮點(diǎn)在于效率的提高。

Rohm EcoGaN 功率級(jí)為設(shè)計(jì)人員提供了在更小的整體尺寸下提高效率的能力，為使用 GaN 電力電子器件的新應(yīng)用鋪平了道路。

Rohm 報(bào)告稱，與分立硅 FET 相比，使用其功率級(jí) IC 時(shí)，損耗降低了 55%，體積減小了 99%，從而在設(shè)計(jì)緊湊型電子產(chǎn)品時(shí)提供了更大的空間。GaN 固有的更快開關(guān)速度同時(shí)減小了 GaN 器件和外部無源元件的尺寸。兩個(gè)功率級(jí)以及模塊的評(píng)估板現(xiàn)已上市。

GaN 的成熟過程仍在繼續(xù)

盡管 GaN 對(duì)于電氣工程師來說并不是一種萬能的解決方案，但它與硅相比的物理差異無疑使其成為更小、更高效的電力電子產(chǎn)品的有力競(jìng)爭(zhēng)者。特別是當(dāng)比較硅和氮化鎵基器件的相對(duì)年齡時(shí)，氮化鎵仍然擁有光明的創(chuàng)新前景。隨著 GaN 工藝的成熟，該材料本身可能會(huì)成為更高效的電源、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和更多高功率電子產(chǎn)品的基礎(chǔ)。

據(jù) Yole Group 旗下 Yole Intelligence 在《功率 SiC/GaN 化合物半導(dǎo)體市場(chǎng)監(jiān)測(cè)》中表示，GaN 技術(shù)繼續(xù)主要在消費(fèi)類應(yīng)用領(lǐng)域取得進(jìn)展，特別關(guān)注快速智能手機(jī)充電器。Power Integrations 和 Navitas 引領(lǐng)市場(chǎng)，贏得了智能手機(jī)制造商的多項(xiàng)設(shè)計(jì)勝利。例如，Innoscience 宣布 2023 年第一季度 GaN 器件的出貨量超過 5000 萬個(gè)，主要針對(duì)消費(fèi)電力應(yīng)用。他們的 40V GaN 產(chǎn)品已經(jīng)在 OPPO 和 Realme 的旗艦手機(jī)中占有一席之地。另一方面，繼 MacBook Pro 16 英寸 140W 充電器取得成功之后，GaN Systems 又推出了適用于 MacBook Air M2 13 英寸 512GB 型號(hào)和 Apple 15 英寸型號(hào)的 70W 充電器。2023 年第 2 季度，Navitas 贏得了小米 13 Ultra 90W 超快「內(nèi)置」充電器的設(shè)計(jì)獎(jiǎng)。快速智能手機(jī)充電器的功率水平明顯高于 75W，預(yù)計(jì)這將增加 GaN 技術(shù)的采用。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，電信和數(shù)據(jù)通信應(yīng)用在需要高效電源轉(zhuǎn)換以滿足二氧化碳排放目標(biāo)以及電動(dòng)汽車中的車載充電器和 DC-DC 轉(zhuǎn)換器的推動(dòng)下，為 GaN 帶來了巨大的增長(zhǎng)機(jī)會(huì)，2028 年市場(chǎng)規(guī)模有望超過 20 億美元。