GaN技术杂谈

氮化镓(GaN)器件是一种非常坚硬和在机械方面非常稳定的宽带隙半导体材料，用于生产功率器件、射频元件和发光二极管 (LED)。其开关频率远高于硅器件，使电力电子设计人员能够利用氮化镓器件创建更小、更高效、性能更高的系统，这是以前采用硅技术难以实现。

可持续能源是当今全球重要需求。发展中经济体努力建设能源基础设施以支持工业和为偏远村庄供电。与此同时，工业化经济体正在努力平衡对更大供电需求的相互冲突和减少对环境的影响。氮化镓(GaN)集成电路为设计人员提供具备更高功率密度、更高效和可使能新应用优势的功率器件。随着全球能源成本的上升，氮化镓器件的普及化急剧加快也就不足为奇了。

许多电源系统中使用的基本构建块是半桥，它由两个串联的功率FET及其各自的栅极驱动器组成。虽然分立式FET和栅极驱动器可以在板上实现这个相同的功能，但通常使用半桥模块比较有利。使用半桥模块有许多好处，包括使用单个预先通过认证的器件、更短的交付周期和具有更高的性能。有50多年历史的电源模块供应商Sensitron（sensitron.com）使用了EPC的eGaN FET，使它的新型产品更具吸引力。Sensitron与EPC合作，使用了新型EPC2050 GaN FET开发出350 V半桥模块SPG025N035P1B，这个半桥智能功率模块专为商业、工业和航空航天应用而设计，额定电流为20 A，可用于控制5 kW以上的功率。如图1所示，通过从Si和SiC器件升级至采用氮化镓器件，封装尺寸显著减小。

早在2015年，Venture Beat就发表了一篇关于氮化镓芯片取代硅的文章。在那篇文章中，我断言氮化镓基功率半导体的广泛普及是可能的，因为GaN FET将比硅具有更高的性能和更低的成本。然而，人们仍然普遍误解氮化镓器件还没有达到那个里程碑……这是一个错误的神话。在这篇博客文章中，我将试图打破这个神话，并提醒大家，本次讨论仅限于额定电压低于400 V的器件的应用领域，因为这是EPC 的重点产品。

本篇GaN Talk博客讨论了使用基于GaN的逆变器替代硅基逆变器在电机驱动设计中的优势，这些优势包括运行更平滑，同时减小体积和重量。这些优势对于典型应用中的电机驱动至关重要，例如仓储与物流机器人、伺服驱动、电动自行车和电动滑板车、协作和低电压机器人及医疗机器人、工业无人机和汽车电机。

高效电源转换（EPC）正在使老化的硅功率MOSFET与eGaN®晶体管之间的性能差距扩大一倍，达到200 V额定值。新一代第五代器件的尺寸约为上一代的一半。性能提升源自两个主要设计差异，如图1所示。左侧是第四代200 V增强型GaN-on-Si工艺的横截面。右侧是第五代结构，具有缩短的栅极和源极电极之间的距离，并添加了一层厚金属。这些改进，加上许多未显示的其他改进，使新一代FET的性能提高了一倍。