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GaN晶体管尺寸和功率效率加倍

晰数塔互联网快讯
2023-09-28 17:54

三个组织上个月发布了新型 GaN 功率晶体管，这些晶体管在效率、稳健性和独特环境的适用性方面取得了长足进步。

新型 GaN 器件以更小的封装提供更高的效率、稳健性和控制能力。

电力电子领域对下一代高电压、大电流晶体管提出了独特的要求，特别是对于开关电源或电机驱动器。因此，新型 GaN 晶体管允许电子产品在新环境中运行，其性能可与 SiC 或 IGBT 技术相当。

本文仔细研究了三款夏季发布的 GaN 晶体管，让读者了解每款产品如何使设计人员受益并塑造高功率器件的未来。

01 Transphorm 专注于新型 GaN 晶体管的鲁棒性

本次综述的开端是Transphorm 最新的 GaN 功率晶体管，据报道，未来功率逆变器的短路鲁棒性高达 5 微秒。随着电动机变得越来越普遍，许多设计人员担心 GaN 电力电子器件承受高电压和高电流短路情况的能力。为此，Transphorm 声称其功率晶体管是迈向稳健的 GaN 逆变器的重要一步。

与传统增强型 FET 相比，Transphorm 共源共栅 GaN FET 为电动汽车或电源逆变器等高可靠性应用提供了更高的抗扰度和鲁棒性。

当响应短路时，系统的控制电子设备可能需要几微秒的时间才能断电。因此，电力电子设备必须承受短路直至断电。前几代GaN器件仅表现出数百纳秒量级的短路鲁棒性，限制了GaN器件的实际应用。然而，利用最新的 Transphorm 器件，设计人员现在可以在任何晶体管受到不可挽回的损坏之前切断电源。

Transphorm 计划在 2024 年的一次大型电力电子会议上展示有关该晶体管的更多细节。不过，我们确实知道该晶体管本身使用共源共栅架构来提高器件的鲁棒性，并与增强模式器件相比提供其他改进。

02 EPC Space 将 GaN 带到大气层边缘

EPC Space 将 GaN 推向了最后的前沿，推出了两款新型抗辐射 GaN 晶体管，用于太空应用中的高电流开关。随着商业卫星数量的不断增加，设计人员需要更多的空间就绪电力电子产品选择，并提高电流处理能力。

EPC Space GaN 晶体管通过专为太空应用打造的密封防辐射封装中的 GaN 物理优势，为设计人员提供更高的性能。

这两款新型晶体管EPC7020G和EPC7030G采用密封封装，占地面积小而坚固。两者均可处理 200 A 脉冲，并加入现有的 EPC70XX GaN 晶体管系列。

EPC7020G 可承受高达 200 V 的电压，导通电阻为 14.5 mΩ；EPC7030G 可承受 300 V 的电压，导通电阻为 32 mΩ。虽然 EPC Space 将电源、电机驱动和各种其他仪器仪表任务作为新型抗辐射 GaN 器件的主要受益者，但如果 GaN 器件相对于抗辐射硅 MOSFET 表现出足够的改进，应用范围可能会远远超出所列出的范围。

03 罗姆致力于 GaN 小型化

最后，为了提高功率和面积效率，Rohm Semiconductor 开发了两个带有内置 GaN HEMT 和栅极驱动器的650 V GaN 功率级，以实现比硅更小、更简单的解决方案。

BM3G007和BM3G015这两个新功率级均支持高达 650 V 的电压，相应的导通电阻分别为 70 mΩ 和 150 mΩ。然而，与硅芯片相比，新芯片的亮点在于效率的提高。

Rohm EcoGaN 功率级为设计人员提供了在更小的整体尺寸下提高效率的能力，为使用 GaN 电力电子器件的新应用铺平了道路。

Rohm 报告称，与分立硅 FET 相比，使用其功率级 IC 时，损耗降低了 55%，体积减小了 99%，从而在设计紧凑型电子产品时提供了更大的空间。GaN 固有的更快开关速度同时减小了 GaN 器件和外部无源元件的尺寸。两个功率级以及模块的评估板现已上市。

04 GaN 的成熟过程仍在继续

尽管 GaN 对于电气工程师来说并不是一种万能的解决方案，但它与硅相比的物理差异无疑使其成为更小、更高效的电力电子产品的有力竞争者。特别是当比较硅和氮化镓基器件的相对年龄时，氮化镓仍然拥有光明的创新前景。随着 GaN 工艺的成熟，该材料本身可能会成为更高效的电源、电机驱动器和更多高功率电子产品的基础。

据Yole Group 旗下 Yole Intelligence在《功率 SiC/GaN 化合物半导体市场监测》中表示，GaN 技术继续主要在消费类应用领域取得进展，特别关注快速智能手机充电器。Power Integrations 和 Navitas 引领市场，赢得了智能手机制造商的多项设计胜利。例如，Innoscience 宣布 2023 年第一季度 GaN 器件的出货量超过 5000 万个，主要针对消费电力应用。他们的40V GaN产品已经在OPPO和Realme的旗舰手机中占有一席之地。另一方面，继 MacBook Pro 16 英寸 140W 充电器取得成功之后，GaN Systems 又推出了适用于 MacBook Air M2 13 英寸 512GB 型号和 Apple 15 英寸型号的 70W 充电器。2023 年第 2 季度，Navitas 赢得了小米 13 Ultra 90W 超快“内置”充电器的设计奖。快速智能手机充电器的功率水平明显高于 75W，预计这将增加 GaN 技术的采用。从长远来看，电信和数据通信应用在需要高效电源转换以满足二氧化碳排放目标以及电动汽车中的车载充电器和 DC-DC 转换器的推动下，为 GaN 带来了巨大的增长机会， 2028 年市场规模有望超过 20 亿美元。

本文来自微信公众号“半导体产业纵横”（ID:ICViews），作者：半导体产业纵横，36氪经授权发布。