从广泛的工业和消费电子产品到快速发展的电动汽车行业,无数的应用市场都在推动着对高效电源转换解决方案的巨大需求。为了满足相关电力系统的高质量,高性能要求,并且继续实现电力转换技术的重大革新,目前产业界正在引入硅基氮化镓(GaN-on-Si,以下简称GaN)方案。

相对于硅(Si)和碳化硅(SiC)而言,固有的GaN性能优势包括

GaN具有优异的材料性能。

GaN在所有功率转换中提供了更高的效率和最低的损耗。

GaN可以在更高的频率下工作。

GaN的相对成本优势:

GaN比SiC便宜。

GaN的总体系统成本低于Si。

GaN的路线图已接近器件级别与Si的价格均等的地位。

自2013年推出首批600 V GaN功率器件以来,GaN功率电子器件已以强劲的预计增长,越来越多地被市场接受。如今,最常用的GaN晶体管的额定电压为600 V或650V。但是,这些设备每个设备只能输出2 kW至5 kW的功率。

Transphorm的GaN革命

在许多不同的市场和应用中,需要能够提供5 kW 以上功率电平的单个分立设备,例如数据中心机架式电源,可再生串式逆变器和电动汽车车载充电等。Transphorm通过有效地缩放其高压D型GaN HEMT并将其与低压增强型Si MOSFET集成在TO-247封装中以形成大功率级联开关,从而满足了这一需求。这种集成将Transphorm的GaN高性能与易于驱动的Si MOSFET结合在一起,在能够处理大功率应用的行业标准通孔封装中实现了两全其美。

最终的器件是额定电压为650 V的FET,具有4 V的高阈值,小于15mΩ的导通电阻以及类似于单芯片的封装。通过使用简单的栅极驱动器(就像Transphorm的所有FET一样),GaN器件与竞争对手的SiC MOSFET相比,具有更快的开关转换和更低的开关损耗。当在240 V:400 V半桥同步升压转换器中实现时,可实现12 kW输出功率,峰值效率大于99%。

设设计与性能

集成的GaN HEMT和Si MOSFET如图1所示。图1(b)所示为简单的单芯片式引线键合配置。当前可用的增强模式GaN器件的栅极驱动裕度相对较差,因此仅限于使用表面贴装封装。这使得此类增强模式设备通常仅适用于2 kW以下的应用。这与共源共栅开关的耗尽型相反,后者允许将TO-247通孔封装用于几倍高的散热能力。


图1(c)显示了Transphorm的TO-247封装中的最终GaN器件,其中GSD引脚引出,金属焊盘是自然信号流的通用源,以促进良好的输入输出隔离。它具有+/- 20 V的可靠栅极电压额定值和+4 V的高阈值(VTH)。它还具有高VTH和低QG,从而使GaN FET容易驱动,而没有竞争器件需要尖峰钳位或负VG。
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图1. 2芯片常关级联GaN FET(a)电路表示。(b)内部包装配置。(c)TO-247中的成品器件,其GSD引脚分配和金属焊盘作为另一个S端子。

断态泄漏测量显示,在650 V额定电压以上具有较大的电压裕量,在25℃时为1200 V,在175℃时为1000 V的软击穿电压。此外,由于Si MOSFET体二极管和开放的GaN HEMT通道,GaN FET在截止状态下具有出色的反向传导能力,在100℃额定电流60A时具有1.5V的低压降。

开关和转换器性能

为了评估最终的开关性能,构建了一个具有低端和高端设备的半桥同步升压转换器电路(如图2(a)所示的Q1和Q2)。240 V:400 V升压转换器在70 kHz时进行了测试,性能与图2(b)所示的输出功率以及竞争的SiC MOSFET的输出功率有关,与SiC MOSFET相比,损耗降低了25%(11 kW)。图2(c)展示了损耗分析。

GaN转换器优于SiC转换器,可提供12 kW的输出功率,峰值效率远高于99%。如图2(c)的损耗分解所示,GaN转换器的较低损耗归因于开关损耗的降低,这是由于GaN相对于SiC具有更好的电子传输能力,因此开关速度更快。考虑到系统中的所有其他损耗(包括电感器的显着ESR),即使在12 kW时,GaN器件的效率也估计接近99%。尽管GaN器件的结壳热阻高于SiC器件(分别为0.4oC / W和0.35oC / W),但在输出功率为12 kW时,Q1 GaN FET的结温估计为139oC ,而SiC MOSFET的功率仅在11 kW时为166oC,在12 kW时将超过175oC。这体现了GaN所具有的电气性能的重要性。
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图2.(a)桥式升压转换器电路的简化示意图。(b)使用GaN FET和SiC MOSFET在70 kHz下对240 V:400 V半桥转换器的效率性能比较。(c)11 kW时的传导,开关,无源和总功率损耗。

Transphorm的GaN平台不断发展。该公司的第五代SuperGaN器件目前采用TO-247封装,能够驱动10 kW以上的功率(取决于应用),具有一流的可靠性和匹配性能。