瑞萨电子新一代650V GaN FET：用独特D-MODE赋能高功率场景

GaN器件最初主要应用于消费电子等低功率领域，例如智能手机快充适配器、LED照明驱动等。随着材料工艺和器件架构的创新，GaN器件正突破功率限制，进入中高功率领域。近日，全球半导体解决方案供应商瑞萨电子宣布推出三款新型高压650V GaN FET——TP65H030G4PRS、TP65H030G4PWS和TP65H030G4PQS，适用于人工智能（AI）数据中心和服务器电源（包括新型800V高压直流架构）、电动汽车充电、不间断电源电池备份设备、电池储能和太阳能逆变器等场景。

从栅极技术路线来看，GaN功率器件主要分为两大技术路线：增强型E-Mode和耗尽型D-Mode。

Mode类型GaN器件是一种常关型器件，通过在栅极下方引入p-GaN层形成内置负偏压，实现0V关断和正压导通。在应用方面，由于E-Mode GaN的常关特性，其使用方式可参考传统的硅MOSFET，但需精心设计外围电路或者使用专门的驱动IC，以解决高dv/dt干扰等问题。

Mode类型GaN器件是一种常开型器件，基于AlGaN/GaN异质结的二维电子气（2DEG）自然形成导通通道，需通过负栅压关断。D-Mode具有更高的电流密度和更低的导通电阻，这意味着在同样的功率输出下，采用D-Mode设计的功率半导体器件体积更小，效率更高。

目前，在低功率应用中，E-Mode类型GaN器件已经广泛普及，且器件成本已与传统的硅器件趋近，具有较高的性价比。不过，Kenny Yim指出，在高功率应用上，E-Mode类型GaN器件还存在一些突出的缺点。比如：E-MODE的vGs门栅电压较低，一般只有1V，最大值仅为5-6V；E-MODE存在动态电阻问题，在实际使用中其Rds(on)变化较快，在高功率场景里会影响可靠性和性能；E-MODE无法使用TO247、TO220等常规的工业类封装，否则会引发误导通问题；另外，E-MODE作为二极管使用时，反向导通的电压降较大，会产生较高的功耗。而D-Mode类型的GaN器件在高功率场景则不存在这些问题。

据介绍，瑞萨电子在D-Mode类型GaN器件的研发上，覆盖了从外延片到封装的全流程，还能帮助客户完成理想的方案设计。Gen IV Plus产品比上一代Gen IV平台的裸片小14%，基于此实现了30毫欧（mΩ）的更低导通电阻（R_DS(on)），较前代产品降低14%，并且在导通电阻与输出电容乘积这一性能指标（FOM）上提升20%。该产品拥有标准的产品验证，且已开始进行车规级验证，目前只有瑞萨电子能够生产车规级的GaN器件。

基于Gen IV Plus平台，瑞萨电子推出了三款新型高压650V GaN FET——TP65H030G4PRS、TP65H030G4PWS和TP65H030G4PQS，提供TOLT、TO-247和TOLL三种封装选项，使工程师能够灵活地针对特定电源架构定制热管理和电路板设计。

Gen IV Plus平台的三款新产品具备出色的产品特性。以TP65H030G4PRS为例，其是采用TOLT封装的30mOhm、650V GaN器件，采用符合JEDEC标准的GaN技术，并经过了低动态电阻Dynamic RDS（on）eff验证。该器件拥有零反向恢复电荷，能够减少分频损耗，在硬开关和软开关电路中实现更高的效率，从而提高功率密度、减小系统尺寸和重量、整体降低系统成本。因此，TP65H030G4PRS能够为AI数据中心和电信电源、电动汽车充电、光伏逆变器、不间断电源（UPS）、电池储能装置（BESS）等应用提供出色的性能和性价比。

Kenny Yim表示，瑞萨电子也为Gen IV Plus平台新产品的使用提供全面的技术支持，提供涵盖高功率与低功率的全面GaN FET解决方案，这与其它许多仅在低功率段取得成功的厂商形成鲜明对比。丰富的产品组合使瑞萨电子能够满足更广泛的应用需求和客户群体。他以典型的服务器、数字储能、通信里的AC-DC电源为例，瑞萨电子的GaN器件可以帮助用户实现AC输入后的图腾柱PFC；在AC-DC部分，无论是半桥、LLC还是全桥，D-MODE类型的GaN器件都具有显著的性能优势，能打造出高性能的MOS管；在同步整流方面，瑞萨电子后续也会推出低压的GaN器件，包括从65V到150V的GaN用于同步整流。