利用集成驱动的氮化镓提升功率密度

自 20 世纪 60 年代以来，硅基MOSFET一直是电力电子应用的标准。另外，越来越小的给寻求在越来越小的外形尺寸中提供更高效率和更大功率密度的开发人员带来了新的挑战。从大型数据中心和墙壁插座交流适配器到汽车车载充电站的各种电源都需要高电压，同时占用尽可能少的宝贵电路板空间。汽车电气架构需要更有效的能量分配来操作越来越多的用于导航和检测潜在障碍物的成像设备和传感器。 目前硅基半导体功率表现已经到达了极限，氮化镓越来越被证明是最佳解决方案。

了解 GaN HEMT

GaN HEMT（高电子迁移率晶体管）不一定在任何场景中都比Si MOSFET、碳化硅 (SiC) MOSFET 或 IGBT（绝缘栅双极晶体管）更好。 然而，它们特别适合需要中压范围内高频性能的应用。 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 可以提供高达 1200V 的电压，使其更适合具有较高电流要求的应用，例如汽车牵引逆变器和大型太阳能发电场。 尽管提供的功率低于 SiC MOSFET，但 GaN HEMT的工作频率更高（大于 200kHz），可提供更快的开关速度并降低传输损耗。尽管 GaN HEMT 的功率密度与传统 Si MOSFET 相似，但其在更高频率下工作的能力使其成为无线充电应用的理想选择。 SiC MOSFET 和 IGBT 更适合需要更多功率但效率相对较低的设备（即电动车辆、大型工业机械）或服务器场等耗电巨大的设备。

此外，GaN HEMT 的外形尺寸比传统 MOSFET 更小，同时制造和运营成本更低。 GaN 技术中使用的原材料也比 SiC 器件中使用的原材料便宜得多。 例如，生产 GaN 所需的电力比 SiC 少，从而为制造商节省了大量能源。 此外，与大多数集成电路一样，GaN 器件是在硅衬底上开发的，因此开发人员可以使用现有的生产方法和设施来生产 GaN HEMT，而无需进行很少的改造。 最后，与 SiC MOSFET 相比，GaN HEMT 的效率更高，需要的散热也更少，因此运行时的能耗也更少，从而为消费者节省了额外的成本。

GaN HEMT 的一个缺点是，由于其最佳驱动电压较窄，因此在某些实现中需要与栅极驱动器结合使用。 如果驱动电压太低（低于2伏），器件可能会发生故障并自行开启，如果栅极耐压太低，栅极本身可能会被击穿。 GaN 实现的最佳驱动电压在 4.5V 到 6V 之间，如果电压太低，则可能意味着它无法开启，如果电压太高，则可能会损坏电路。 结合外部栅极驱动器有助于最大限度地提高晶体管性能，但会占用电路板上的额外空间，这是开发人员必须考虑的因素。 然而，与硅基器件相比，GaN 器件产生的热量更少，需要的散热也更少，这可能会进一步降低客户的能源和维护成本。

使用分立式 GaN HEMT 的诸多优势似乎受到上述问题的严重限制，但克服这些限制是可能的。 GaN HEMT 的优点之一是它们可以与其他集成电路构建在同一衬底上，从而能够在同一器件中包含额外的电路，包括各种保护功能。通常，集成解决方案通常比分立配置成本更低，占用更少的电路板空间，减少寄生效应，并简化电路板布局。 从性能角度来看，与多器件实施相比，集成解决方案可以保持甚至提高 GaN HEMT 的高工作频率优势。 可靠性也得到了提高——这一优势对于许多电力输送应用来说非常重要。

ROHM半导体的Nano Cap 650V GaN HEMT 功率级 IC 将 GaN 技术的高功率密度和效率与驱动器相结合，形成完全集成的 IC 解决方案。 GaN IC 不仅最适合基站充电器和电源适配器等中压应用，还可以在工业应用和高密度电源中实施。 ROHM 的 GaN IC 的冷却要求较低，最大限度地减少了对散热器和其他冷却机制的需求，从而进一步减少了物理电路板空间。 事实上，随着技术的不断发展，尤其是与栅极驱动器一起实施时，GaN具有更小的尺寸，更高功率密度以及更可靠。对于需要超高频运行和损耗最小化的移动应用，ROHM 的 Nano Cap 650V GaN HEMT 功率级 IC 提供了完整且高效的解决方案。

氮化镓 HEMT 代表了功率半导体技术的一个有前景的前沿领域，可为从消费电子产品到电力输送系统的各种应用提供效率提高和成本优势。 凭借不断的进步和集成可能性，GaN HEMT 与 ROHM Semiconductor 的产品一样，有望重塑电力电子领域的格局。