由于其化學(xué)物理特性和高度可靠的制造工藝，硅 （Si） 多年來一直是制造無源和有源電子元件最常用的半導(dǎo)體。MOSFET 和 IGBT 技術(shù)的引入也使得 Si 在功率應(yīng)用中的應(yīng)用成為可能，其特點(diǎn)是電流和電壓特別高。然而，今天，這種半導(dǎo)體的性能幾乎完全達(dá)到了它的理論極限，突出了硅基技術(shù)的一些缺點(diǎn)，特別是：有限的散熱、有限的效率和不可忽略的傳導(dǎo)損耗。近年來開展的研究活動(dòng)使得識別一些材料成為可能，這些材料稱為寬帶隙 （WBG） 半導(dǎo)體，其特性能夠克服 Si 提供的限制。

氮化鎵 （GaN）屬于這一類半導(dǎo)體，特別適用于功率應(yīng)用，因?yàn)樗c Si 相比具有優(yōu)越的特性——特別是在與 Si 或碳化硅 （SiC） 相同的工作頻率下工作時(shí)，它能夠更快地內(nèi)部切換；由于其卓越的電子遷移率降低了內(nèi)部開關(guān)損耗，電子遷移率高出 2 倍；較低的寄生電感帶來更高的工作頻率，尤其是在軟開關(guān)拓?fù)渲校唤o定尺寸的裸片具有更高的工作電壓，這是基于其更高的臨界電場強(qiáng)度 （3.3 MV/cm），而硅的臨界電場強(qiáng)度為 0.3 MV/cm，所有這些都導(dǎo)致更高的效率。與基于 Si 的傳統(tǒng)解決方案相比，在功率轉(zhuǎn)換器等應(yīng)用中使用 GaN 可實(shí)現(xiàn)顯著改進(jìn)：更高的功率效率、更小的尺寸、更輕的重量、并降低總體成本。雖然開關(guān)損耗會(huì)增加，但由于頻率與功率損耗有關(guān)，但增加工作頻率可導(dǎo)致更小的外形尺寸和更低的整體系統(tǒng)成本。除了 GaN 卓越的電子遷移率、降低交叉損耗外，還可以通過減少對笨重的散熱器和冷卻系統(tǒng)的需求、減小電源的重量和尺寸來實(shí)現(xiàn)熱性能。

氮化鎵特性

WBG 半導(dǎo)體系列，除了 GaN 之外還包括同樣眾所周知的 SiC，包括具有相對較大能帶隙的材料，特別是與 Si 相比。也稱為禁帶，這個(gè)能帶代表價(jià)帶上限和導(dǎo)帶下限之間存在的能隙。正是這種帶隙的存在使半導(dǎo)體能夠通過一些外部可控的電參數(shù)在開啟和關(guān)閉狀態(tài)之間切換。GaN 的帶隙等于 3.4 eV，明顯高于 Si（1.2 eV）。GaN 電子的更大遷移率導(dǎo)致更高的開關(guān)速度，因?yàn)橥ǔ?huì)在結(jié)上積累的電荷可以更快地分散。更寬的帶隙還允許更高溫度的操作。隨著溫度的升高，電子在價(jià)帶中的熱能增加，直到一旦超過某個(gè)溫度閾值，它們就會(huì)進(jìn)入傳導(dǎo)區(qū)。對于 Si，這個(gè)溫度閾值約為 150°C，而對于 GaN，它甚至高于 400°C。寬帶隙也意味著更高的擊穿電壓。因此，在相同的擊穿電壓下，可以創(chuàng)建更薄的層，增加半導(dǎo)體的摻雜水平并獲得低得多的導(dǎo)通電阻值，如圖所示 寬帶隙也意味著更高的擊穿電壓。因此，在相同的擊穿電壓下，可以創(chuàng)建更薄的層，增加半導(dǎo)體的摻雜水平并獲得低得多的導(dǎo)通電阻值，如圖所示 寬帶隙也意味著更高的擊穿電壓。因此，在相同的擊穿電壓下，可以創(chuàng)建更薄的層，增加半導(dǎo)體的摻雜水平并獲得低得多的導(dǎo)通電阻值，如圖所示圖 1。

圖 1：與擊穿電壓相關(guān)的導(dǎo)通電阻圖

與傳統(tǒng)的 Si 技術(shù)相比，GaN 提供的主要優(yōu)勢可歸納如下：

效率高、占地面積小、重量輕

高擊穿電壓（600 V 以上）

高功率密度

優(yōu)良的導(dǎo)熱性

高工作和開關(guān)頻率

低導(dǎo)通電阻

高溫操作（300°C 以上）

高可靠性

接近零的反向恢復(fù)時(shí)間

引領(lǐng) GaN 革命

由于與 Si 相比具有更優(yōu)越的特性，GaN 正在迅速普及到需要高效、可靠并能夠減小應(yīng)用尺寸、重量和成本的功率器件的領(lǐng)域。汽車行業(yè)越來越傾向于混合動(dòng)力和電動(dòng)汽車，在 DC/AC 逆變器、DC/DC 轉(zhuǎn)換器、AC/DC 車載充電器、EV 動(dòng)力系統(tǒng)等設(shè)備中使用 GaN 可以顯著受益。

GaN 現(xiàn)在是電源轉(zhuǎn)換的流行選擇。650 至 900 V 范圍內(nèi)的高壓 GaN HEMT （GaN FET） 正在成為功率轉(zhuǎn)換的下一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。650-V GaN FET 憑借其在減小尺寸（外形尺寸）和節(jié)能（高效率）方面的成熟能力，現(xiàn)已在大眾市場中得到采用。

在系統(tǒng)中，GaN 在 AC-DC 無橋圖騰柱 PFC 中具有很高的價(jià)值，與成熟的基于模擬的經(jīng)典升壓 PFC 不同，它使用數(shù)字編程。GaN 提供具有成本競爭力且易于嵌入的解決方案，可將能量損失降低 50% 以上，將系統(tǒng)尺寸縮小 40% 以上，并簡化轉(zhuǎn)換器/逆變器的設(shè)計(jì)和制造，從而有助于降低系統(tǒng)成本。

Transphorm 的垂直整合業(yè)務(wù)方法在每個(gè)開發(fā)階段利用業(yè)界最有經(jīng)驗(yàn)的 GaN 工程團(tuán)隊(duì)：設(shè)計(jì)、制造、設(shè)備和應(yīng)用支持。這種方法由擁有 1，000 多項(xiàng)專利的業(yè)界最大的 IP 組合之一提供支持，產(chǎn)生了業(yè)界唯一符合 JEDEC 和 AEC-Q101 標(biāo)準(zhǔn)的 GaN FET。Transphorm 的創(chuàng)新使電力電子產(chǎn)品超越了硅的限制，以實(shí)現(xiàn)超過 99% 的效率、40% 的功率密度和 20% 的系統(tǒng)成本降低。

高壓 GaN 技術(shù)使眾多需要可靠的高效率和高性能電源轉(zhuǎn)換的市場受益。主要應(yīng)用領(lǐng)域如下：

數(shù)據(jù)中心、基礎(chǔ)設(shè)施和 IT 電源：GaN 提高了標(biāo)準(zhǔn)化服務(wù)器和電信外形尺寸的清潔電源輸出。

工業(yè) UPS 和電池充電器：GaN 技術(shù)減小了運(yùn)行工業(yè)工廠、為電池驅(qū)動(dòng)的叉車和電動(dòng)汽車充電并保持關(guān)鍵數(shù)據(jù)可訪問的系統(tǒng)的尺寸和重量。

汽車和電動(dòng)汽車充電：GaN 每次充電可產(chǎn)生更長的距離，同時(shí)降低整體系統(tǒng)成本。

消費(fèi)和計(jì)算：GaN 技術(shù)提高了適配器、游戲和電源的效率，從而實(shí)現(xiàn)更好的熱管理、更高的功率密度和更低的系統(tǒng)成本。

高壓 GaN 650 至 950V FET 正在成為功率轉(zhuǎn)換的下一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。它們提供具有成本競爭力、易于嵌入的解決方案，可將能量損失降低 50% 以上，將系統(tǒng)尺寸縮小 40% 以上，并簡化電源轉(zhuǎn)換器/逆變器的設(shè)計(jì)和制造。

“Transphorm 的 GaN FET 的開關(guān)速度比硅解決方案快 4 倍，”Transphorm 發(fā)言人說。“此外，與 Si MOSFET 不同，GaN 晶體管本質(zhì)上是雙向的，并在無橋圖騰柱功率因數(shù)校正設(shè)計(jì)中進(jìn)行了優(yōu)化。”

當(dāng)今的 EV 車載充電器要求重量輕、體積小。“高效和高頻操作有助于實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，Transphorm GaN FET 和 LLC 拓?fù)涮峁┑膬?yōu)勢，”發(fā)言人說。

Transphorm GaN FET 特別適合 LLC 和其他高頻諧振應(yīng)用，原因如下：快速開關(guān)、低漏極電荷（Q OSS = C OSS （tr） × V DS）、非常快的體二極管（低 Q RR ），以及低柵極驅(qū)動(dòng)電流要求。

圖 3：具有全橋初級和次級的 LLC 拓?fù)浜?a target="_blank">仿真原理圖

審核編輯：郭婷