GaN如何重塑高效电源设计？

氮化镓(GaN)在短短几年内从小众应用迅速发展为主流技术。曾经局限于快速充电器等小众应用的GaN，如今已广泛应用于数据中心、太阳能逆变器和电动汽车系统。其应用增长迅速——从2020年到2025年，GaN功率器件市场增长了近9倍，这表明它已成为高要求应用中的可靠选择(图1)。

图1：GaN市场快速增长。(来源：Yole Group)

氮化镓崛起的原因很简单：GaN具有高的击穿电场和快速的电子迁移率，可实现尺寸更小、电荷极低的器件，从而支持快速、低损耗的开关操作，且无需少数载流子反向恢复。设计人员可以显著提高开关频率，从而缩小磁性元件和电容尺寸，提高效率和功率密度，最终打造出更小巧、功耗更低的产品。

在当今的功率半导体领域，每种材料都有其最佳应用场景：

• 硅(Si)：在较低电压和适中频率下仍保持成本效益。

  
  

• 碳化硅(SiC)：在最高电压和功率范围内占据主导地位。

  
  

• GaN：当需要超快速开关、紧凑尺寸和卓越效率时，GaN(尤其是600V至650V等级)是首选技术。

根据电压等级选择合适的GaN器件结构

所有GaN功率HEMT都具有相似的横向结构，但在栅极结构上存在一些关键差异(图2)。对于高压应用，栅极注入晶体管(GIT)是首选结构，因为其栅极非常鲁棒，无需担心过压，能够提供比肖特基栅更高的峰值电流处理能力，并且栅极的空穴注入可将动态导通电阻(R_DS(on))降至可忽略不计的水平。因此，CoolGaN高压器件采用基于GIT的增强型技术，以实现真正的常关特性，并在高dv/dt和di/dt条件下保持稳定性能。

图2：GaN晶体管结构对比。(来源：英飞凌)

在中压应用中，肖特基栅极GaN是首选技术，它能够实现简单的驱动、快速的开关和经济高效的系统设计。肖特基栅极GaN是英飞凌中压GaN产品组合的基础，该组合包括采用硅兼容RQFN封装的器件、集成肖特基二极管以提升第三象限二极管模式性能的器件，以及符合AEC-Q101标准的汽车级版本。

耗尽型GaN与硅MOSFET搭配使用(共源共栅方法)可以模拟常关特性。在某些设计中，只要能够妥善处理随着开关速度和效率目标的提高而变得重要的权衡因素，它就是一种实用的选择。

栅极鲁棒性和动态性能

栅极鲁棒性在高压应用中至关重要。CoolGaN GIT器件采用具有小注入电流的欧姆栅极，可以清除捕获的电子，否则这些电子会增加动态R_DS(on)。这使得动态R_DS(on)稳定性出色(应力下约增加2%)，并支持宽范围的栅极驱动电压，且内置ESD保护功能。最终，在实际条件下，开关行为始终保持一致，运行可靠。

反向传导行为

GaN GIT没有寄生体二极管，但它会在反向自导通(图3)：

• 增强型GaN GIT：通过沟道反向传导，反向恢复电荷为零。这支持在硬开关和软开关拓扑中实现高效率以及干净的电流换向。
  
  
• 共源共栅器件：包含一个硅MOSFET，其体二极管在反向电流期间导通。这会引入反向恢复和额外损耗，从而降低效率并使快速开关设计中的EMI控制复杂化。

图3：GIT器件典型栅极电流与栅极电压波形。(来源：英飞凌)

共源共栅在高速下的局限性

由于串联了硅MOSFET，共源共栅GaN晶体管会增加电容和电荷，从而增加开关能量并需要更慢的关断速度。设计人员通常会添加铁氧体磁珠、调谐栅极电阻和缓冲器来稳定工作，尤其是在高dv/dt下。在软开关转换器中，与器件电荷和较慢关断速度相关的额外损耗是设计人员避免使用共源共栅GaN晶体管的常见原因。这些效应可能会抵消GaN在高要求高压级中固有的速度优势。

软开关vs.硬开关

CoolGaN增强型器件非常适合软开关和硬开关拓扑结构，包括图腾柱PFC和谐振LLC(图4)。由于原生反向传导中没有反向恢复，软开关下可实现低损耗换流。硬开关下，由于没有少数载流子反向恢复、低输出电荷和快速转换，可实现高效率和高功率密度。相比之下，共源共栅技术所需的较慢关断速度和额外的缓冲电路会导致更大的损耗和性能下降。这就是为什么增强型GaN比共源共栅技术更受欢迎，尤其是在开关频率更高的软开关应用中。

图4：传统PFC与图腾柱PFC对比。(来源：英飞凌)

GaN支持更高的频率

GaN不会默认缩小系统尺寸；更高的工作频率才会。当工程师提高频率时，磁性元件和电容器可以变得更小、更轻。在相同频率下简单地将硅替换为GaN可能只会带来增量增益。英飞凌提供详细的模型、布局指南和应用笔记，帮助团队平衡频率、效率、热设计和EMI，从而充分发挥GaN的优势。

简化GaN：封装、集成和保护

易于采用是首要任务：

• 采用硅兼容RQFN封装的中压GaN可实现硅基MOSFET的直接升级。
  
  
• 集成肖特基二极管的选项可改善同步和双向级的反向传导和效率。
  
  
• 符合AEC-Q101标准的版本支持汽车应用场景。

除了分立器件外，CoolGaN Drive还将两个GaN晶体管与一个匹配的驱动器集成在一个封装中。紧密集成可降低寄生电感，支持高峰值电流能力，并提供干净、快速的开关。欠压锁定和互锁等功能增强了鲁棒性，并有助于缩短设计周期。

在保护和控制方面，CoolGaN Smart Sense可实现精确的电流检测和快速的过流保护。这提高了保护响应，同时简化了测量电路和校准。

GaN中压双向开关，可双向阻断电压

CoolGaN双向开关(BDS)能够提供比两个背靠背晶体管更紧凑、更低成本、更高性能的开关解决方案(图5)。高压BDS可为单级转换器拓扑、交流连接谐振转换器以及其他使用交流开关功能的传统拓扑提供更佳性能，而中压BDS通常用作电池断路开关，它以一个单片开关提供小尺寸、低成本、低损耗的过充和过放保护功能：

• 对称正向和反向阻断及导通，无反向恢复。
  
  
• 在软开关和硬开关模式下均能高效运行。
  
  
• 鲁棒的安全工作区(SOA)特性，可应对严苛的瞬态要求。
  
  
• 提供利用中压集成肖特基二极管的选项，以提高反向性能并实现低损耗换流。

图5：采用创新双栅结构的CoolGaN BDS 650V G5器件。(来源：英飞凌)

这些特性可降低损耗、简化热设计，并实现紧凑、节能的转换器设计。

让GaN的应用更加便捷

所有CoolGaN器件通常处于关闭状态，并采用常见的封装形式。参考设计、SPICE模型和记录的栅极驱动建议简化了开发流程。这有助于团队自信地、按可预测的时间表从评估阶段过渡到生产阶段。

制造领导力和可扩展供应

集成器件制造商(IDM)模式对于质量、可靠性和供应保证至关重要。英飞凌掌控着从外延到封装的关键步骤，并与精选的代工厂合作，以扩大产能并满足多样化的产品需求。这种组合提供了产品广度、性能一致性和供应韧性。

可扩展性的进一步提升是过渡到300mm硅基GaN晶圆。从200mm过渡到300mm，每片晶圆的芯片数量增加了约2.3倍，从而降低了单片器件的成本。在奥地利菲拉赫300mm大批量制造专业知识的支持下，300mm客户样品的交付进展顺利。凭借马来西亚不断扩大的宽禁带产能和丰富的GaN IP产品组合，CoolGaN有望实现长期供货并具备成本竞争力。

CoolGaN引领高压市场

GaN正在重塑电力电子领域，其效率、密度和灵活性超越了硅材料的极限。实现这一潜力取决于适合每种电压等级的器件结构、鲁棒的栅极设计、可预测的反向行为以及可扩展的制造工艺。

CoolGaN具备这些特性。基于GIT的增强型器件提供栅极鲁棒性、动态R_DS(on)稳定性和零反向恢复，从而实现高压性能。肖特基栅极GaN为强大的中压产品组合奠定了基础，包括兼容硅片的RQFN封装、集成肖特基二极管选项以及符合AEC-Q101标准的版本。集成功率级、高峰值电流能力和CoolGaN Smart Sense进一步简化了设计和保护。通过代工厂合作增强的IDM主干以及包含客户样品的300mm路线图确保了客户期望的规模和连续性。