作者

Ester Spitale

意法半導體技術市場經(jīng)理

Albert Boscarato

意法半導體應用實驗室經(jīng)理

GaN技術在不同應用中的優(yōu)勢

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

較新的寬禁帶化合物半導體材料氮化鎵（GaN）的引入代表功率電子行業(yè)在朝著這個方向發(fā)展，并且，隨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）氮化鎵（GaN）的品質(zhì)因數(shù)（FOM）、導通電阻RDS(on)和總柵極電荷（QG）三個參數(shù)均優(yōu)于相應的硅基器件，同時具有很高的漏源電壓耐壓能力、零反向恢復電荷和非常低的寄生電容。

電能功率轉(zhuǎn)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成為功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)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(zhuǎn)換系統(tǒng)實現(xiàn)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(qū)動器的導通和開關損耗是節(jié)能降耗的關鍵所在。

隨著硅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(tǒng)硅基MOSFET和IGBT晶體管提升電機驅(qū)動性能變得越來越難。在高壓電機控制應用中，電氣特性更為優(yōu)異的GaN晶體管成為MOSFET和IGBT的有效替代方案。

▲圖1. 基于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(fā)展

GaN甚至有望為低頻開關（最高20kHz）的應用帶來顯著優(yōu)勢。在家用電器領域，電機驅(qū)動系統(tǒng)如洗衣機、冰箱、空調(diào)、吸塵器等主要依靠逆變器來控制電機轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和能效。因為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(yè)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(tǒng)尺寸的傳統(tǒng)方法是行不通的——而是必須改進驅(qū)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，相較于傳統(tǒng)硅基晶體管，GaN產(chǎn)品并非是某一項參數(shù)十分突出，而是各方面的綜合性能明顯勝出。

GaN的反向恢復電荷（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了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(yōu)化開關邊沿。

此外，GaN開關還可以安全地大幅縮短死區(qū)時間，而不會產(chǎn)生橋臂直通風險，上下橋臂開關之間的轉(zhuǎn)換時間可以輕松縮短到硅基晶體管的十分之一，更短的死區(qū)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，但遠不止于此。事實上，所有這些“小”改進累加在一起，最終帶來了或許是所有改進中最關鍵的一點：節(jié)省散熱器。

告別散熱器

耗散功率的大幅降低讓設計人員能夠?qū)δ孀兤鞴β兽D(zhuǎn)換級中笨重的散熱器進行瘦身設計，甚至拋棄散熱器?，F(xiàn)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，從而避免了設備長期使用后可能出現(xiàn)的機械故障，這有望節(jié)省維保成本。

總體結(jié)果是逆變器設計變得小型化、輕量化，經(jīng)濟效益更好，更適合要求嚴格且競爭激烈的家電市場。

▲圖2. 在無散熱器式電機逆變器上安裝的700V GaN

圖2所示波形顯示了在相關測試中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)為80mΩ。電機逆變器的開關頻率為16kHz，dV/dt最大值略低于10V/ns。

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

這一優(yōu)異的測試結(jié)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，通過電路板本身散熱。

STPOWER GaN晶體管

STPOWER GaN晶體管本質(zhì)上是常關型p-GaN柵極增強模式晶體管，零反向恢復電荷。STPOWER GaN700V額定擊穿電壓（VDS）晶體管目前總共有七款產(chǎn)品，典型導通電阻RDS(on)范圍270mΩ到53mΩ，采用DPAK、PowerFLAT 8x8和TO-LL封裝。

該產(chǎn)品組合正在快速擴大，增加了不同的封裝、RDS(on)和擊穿電壓的產(chǎn)品。