-解決了 GaN器件的柵極耐壓問題,為基站、數據中心等領域提供了低功耗、小尺寸的電源～

世界著名半導體制造商 ROHM (總部設在日本京都市)針對各種不同的電源線路,以工業設備和通信設備為主導,開發了針對150 V耐壓 GaN HEMT*1 (以下簡稱" GaN器件")的高達8 V柵極耐壓(柵極-源極間額定電壓)*2技術。

近幾年來,隨著 IoT設備需求的不斷增長,功率轉換效率的提高和設備小型化已成為社會關注的重要問題之一,而這對功率器件的發展提出了更高的要求。

ROHM一直在大力推動行業內先進的 SiC元件及各種硅元件的發展及量產,并在中壓范圍內開發具有卓越高頻工作能力的硅基元件。本次, ROHM針對已有的 GaN器件進行了長期研究,開發了能夠提高柵極-源極間額定電壓的技術,可為多種應用提供更廣泛的電源方案。

由于 GaN器件具有比硅器件更低的導通電阻值和更高的高速開關性能,因此作為有助于降低各種開關電源功耗、實現小型化的器件,在基站和數據中心等領域有著較高的應用前景。但是由于 GaN器件的柵源極間額定電壓較低,在開關工作過程中可能出現超過額定電壓的過沖現象,因此產品的可靠性一直是個難題。

基于此, ROHM利用自身的結構,成功地將柵極-源極間額定電壓由常規的6 V提高到8 V,這將有助于提高電源電路的設計余量和可靠性,而采用高效的柵極器件有利于提高電路的可靠性。另外,配合本技術,研制出了一種專用封裝,利用該封裝,不但能降低寄生電感,更好地發揮器件的性能,而且能使產品更容易安裝在電路板上,具有更好的散熱性能,從而可使現有硅器件的更換和安裝工序更加簡便。

今后, ROHM將加快 GaN器件的發展,使用該技術的 GaN器件有望在2021年9月開始提供產品樣品。

<開發中的GaN器件的特點>

ROHM即將推出的目前正在開發中的GaN器件具有以下特點:

1. 采用ROHM自有結構,將柵極-源極間額定電壓提高至8V

普通的耐壓200V以下的GaN器件的柵極驅動電壓為5V,而其柵極-源極間額定電壓為6V,其電壓裕度非常小,只有1V。一旦超過器件的額定電壓,就可能會發生劣化和損壞等可靠性方面的問題,這就需要對柵極驅動電壓進行高精度的控制,因此,這已成為阻礙GaN器件普及的重大瓶頸問題。

針對這種課題,ROHM通過采用自有的結構,成功地將柵極-源極間的額定電壓從常規的6V提高到了業內超高的8V。這使器件工作時的電壓裕度達到普通產品的三倍,在開關工作過程中即使產生了超過6V的過沖電壓,器件也不會劣化,從而有助于提高電源電路的可靠性。

2. 采用在電路板上易于安裝且具有出色散熱性的封裝

該GaN器件所采用的封裝形式,具有出色的散熱性能且通用性非常好,在可靠性和可安裝性方面已擁有可靠的實際應用記錄,因此,將使現有硅器件的替換工作和安裝工序中的操作更加容易。此外,通過采用銅片鍵合封裝技術,使寄生電感值相比以往封裝降低了55%,從而在設計可能會高頻工作的電路時,可以更大程度地發揮出器件的性能。

3. 與硅器件相比,開關損耗降低了65%

該GaN器件不僅提高了柵極-源極間額定電壓并采用了低電感封裝,還能夠更大程度地發揮出器件的性能,與硅器件相比,開關損耗可降低約65%。

<應用示例>

?數據中心和基站等的48V輸入降壓轉換器電路

?基站功率放大器單元的升壓轉換器電路

?D類音頻放大器

?LiDAR驅動電路、便攜式設備的無線充電電路

<術語解說>

*1) GaN HEMT

GaN(氮化鎵)是一種用于新一代功率元器件的化合物半導體材料。與普通的半導體材料硅相比,具有更優異的物理性能,目前利用其高頻特性的應用已經開始增加。

HEMT是High Electron Mobility Transistor(高電子遷移率晶體管)的英文首字母縮寫。

*2) 柵極-源極間額定電壓(柵極耐壓)

可以在柵極和源極之間施加的最大電壓。

工作所需的電壓稱為“驅動電壓”,當施加了高于特定閾值的電壓時,GaN HEMT將處于被動工作狀態。