GaN技術在不同應用中的優勢

滿足日益增長的高能效和高功率性能的需求，同時不斷降低成本和尺寸是當今功率電子行業面臨的主要挑戰。

較新的寬禁帶化合物半導體材料氮化镓 (GaN) 的引入代表功率電子行業在朝著這個方向發展，並且，随著這項技術的商用程度不斷提高，其應用市場正在迅猛增長。

高電子遷移率晶體管(HEMT)氮化镓(GaN)的品質因數 (FOM)、導通電阻 RDS(on) 和總栅極電荷(QG)三個參數均優於相應的矽基器件，同時具有很高的漏源電壓耐壓能力、零反向恢複電荷和非常低的寄生電容。

電能功率轉換是第一個廣泛應用GaN技術的領域，能夠滿足更嚴格的能效要求讓GaN成爲功率轉換系統提高能效的首選解決方案。GaN更高的開關頻率能夠讓功率轉換系統實現更高的功率密度、小型化和輕量化，降低成本。

在電機控制設計中，尺寸和能效同樣具有重要意義，最大限度降低驅動器的導通和開關損耗是節能降耗的關鍵所在。

随著矽基晶體管技術的功率密度、擊穿電壓和開關頻率接近理論極限，依靠傳統矽基MOSFET和IGBT晶體管提升電機驅動性能變得越來越難。在高壓電機控制應用中，電氣特性更爲優異的GaN晶體管成爲MOSFET和IGBT的有效替代方案。

圖1. 基於 GaN 晶體管的逆變器的簡化框圖

推動下一代電機逆變器的發展

GaN 甚至有望爲低頻開關（最高 20kHz）的應用帶來顯著優勢。在家用電器領域，電機驅動系統如洗衣機、冰箱、空調、吸塵器等主要依靠逆變器來控制電機轉速、轉矩和能效。因爲受到機械和功能限制，家電電機的實際尺寸基本上是固定不變的，這一點與工業伺服電機或精密電機不同。這意味著，通過縮小電機本身來減小整體系統尺寸的傳統方法是行不通的——而是必須改進驅動電機的逆變器和相應的功率電子器件。

從這個意義上講，需要指出的是，相較於傳統矽基晶體管，GaN産品並非是某一項參數十分突出，而是各方面的綜合性能明顯勝出。

GaN的反向恢複電荷 (Qrr)很小，實際上可忽略不計，寄生電容很低，因此，可以耐受略高的電壓變化率 dV/dt。雖然電機繞組和絕緣限制瞭dV/dt最大允許值，但 GaN在更高開關速度下工作的能力，使得設計人員能夠精心優化開關邊沿。

此外，GaN開關還可以安全地大幅縮短死區時間，而不會産生橋臂直通風險，上下橋臂開關之間的轉換時間可以輕松縮短到矽基晶體管的十分之一，更短的死區時間可以提高逆變器能效，降低開關損耗，同時又不會影響電機的可靠性。

盡管性能提升如此顯著，但遠不止於此。事實上，所有這些“小”改進累加在一起，最終帶來瞭或許是所有改進中最關鍵的一點：節省散熱器。

告别散熱器

耗散功率的大幅降低讓設計人員能夠對逆變器功率轉換級中笨重的散熱器進行瘦身設計，甚至抛棄散熱器。現在，裝配線可能需要更少的制造工序。沒有散熱器也意味著無需螺釘或安裝接頭，從而避免瞭設備長期使用後可能出現的機械故障，這有望節省維保成本。

總體結果是逆變器設計變得小型化、輕量化，經濟效益更好，更适合要求嚴格且競争激烈的家電市場。

圖2. 在無散熱器式電機逆變器上安裝的 700 V GaN

圖2所示波形顯示 瞭在相關測試中GaN 的溫升非常低及平滑。在上面的示例中，被測器件的典型 RDS(on) 爲 80mΩ。電機逆變器的開關頻率爲 16 kHz， dV/dt 最大值略低於 10V/ns。

該GaN開關管可以安全地輸出約 800 W 的功率，而不會發生熱失控。溫升 Δt 小於 70 °C，在達到 150 °C 的最高工作結溫 (TJmax)之前，有充足的安全裕量。

這一優異的測試結果是在沒有安裝散熱器的情況下取得的，GaN是安裝在一個通用兩層 PCB 上，通過電路闆本身散熱。

STPOWER GaN晶體管 

STPOWER GaN晶體管本質上是常關型p-GaN栅極增強模式晶體管，零反向恢複電荷。STPOWER GaN 700 V額定擊穿電壓 (VDS)晶體管目前總共有七款産品，典型導通電阻RDS(on)範圍270 mΩ到53 mΩ，採用DPAK、PowerFLAT 8x8和TO-LL封裝。

該産品組合正在快速擴大，增加瞭不同的封裝、RDS(on)和擊穿電壓的産品。

作者：

意法半導體技術市場經理Ester Spitale

意法半導體應用實驗室經理Albert Boscarato