标签: X-IPM

随着科技的发展，人们生活水平的提高，人类生活对于能源电力的需求越来越大。从而对电源转换效率、电源体积、电源重量等参数提出了越来越高的要求。目前随着研究的深入，开关电源技术的发展越来越快，各类全新拓扑结构被逐渐广泛应用。从而使开关电源的功率密度越来 越高化，效率越来越高，拓扑结构越来越丰富。但是随之而来的难点是电源的转换效率受到了功率器件的制约，很难再进一步的提高电源的性能。由于拓扑结构难以创新，磁性材料创新速度慢，第三代半导体由于其开关速度快、内阻相对于第二代半导体更小的优良特性，逐渐被应用到开关电源中。 第三代半导体材料主要以碳化硅（ SiC ）、氮化镓（ GaN ）、氧化锌（ ZnO ）、氮化铝（ AlN ）等化合物材料为代表的宽禁带半导体材料。目前被广泛接受的可以应用于电源开关的材料包含 SIC 和 GaN 两种。 由于 GaN 和 SIC 材料针对于现在的工程师来讲属于一种全新的半导体材料，大家对于这两种材料的特性仅停留在各个半导体原厂向工程师推广应用时告知的可以应用的层面上，很少寻根问底在目前的电源上为什么要用这种材料，怎么应用这种材料，怎么才能发挥这两种半导体材料的优势。更没有深究过应用这两种材料是否真正的发挥到了最高性价比。 如果需要搞清楚如上几个问题，首先我们需要了解第三代半导体本身相对于其他功率器件的优劣势，然后再进一步探讨适合应用在什么样的电源产品上。下面我们以南京芯干线科技有限公司的 GaN HEMT XG6510B8 （详细规格书请点击 产品信息_ 南京芯干线科技有限公司 (x-ipm.com) 进行下载）来举例说明。 GaN HEMT 器件具有两大优势一劣势三个特性：（ 1 ）与 SI 同样芯片面积时，内阻更小。（ 2 ）开关频率高，目前 XG6510B8 最理想的工作频率为 200KHz-1.5MHz 之间。（ 3 ）与 Si MOSFET 器件相比同样内阻时， 芯片 面积小，散热面积小，过电流能力弱。 SI MOSFET 具有如下特性：（ 1 ）与 GaN 芯片 面积相同时，内阻大。（ 2 ）开关频率与 GaN 相比略低，目前常规 SI MOSFET 器件最理想的工作频率为 10KHz—200KHz 之间。（ 3 ） SI MOSFET 与 GaN 相比同样内阻时， 芯片 面积更大，过电流能力更强。 通过如上分析我们可以很清楚的看出， GaN 功率器件相对于 SI 功率器件相比有着很明显的优势和劣势。如果要充分发挥第三代半导体的优势，就需要选择恰当的应用市场，选择恰当的控制器，充分发挥 GaN 内阻小，开关频率高的优良特性。由于目前磁性器件材料的限制，我们建议 GaN 器件工作在 250K 的开关频率下， DFN88 封装器件工作在 0.6W 的耗散功率条件下。考虑导通损耗和开关损耗的叠加，南京芯干线科技有限公司针对于 DFN88 的功率器件运用BOOST PFC 、无桥 PFC 、半桥 LLC 、移相全桥等多种拓扑结构组合，制作了 100W 、 130W 、 180W 、 200W 、 250W 、 350W 、 500W 、 1KW 等多款 GaN 电源。 然而南京芯干线科技有限公司由于成立时间较短，随着后续技术水平的提高，公司技术人员有信心运用 GaN 单片器件将功率做到 2800W 左右。从而充分发挥 GaN 功率器件在开关电源中的优良性能。 总之，由于 GaN 与 SI 器件相比的两优势一劣势，南京芯干线科技有限公司经过多年的研究得出结论：如果 GaN HEMT 的最高性价比，充分发挥 GaN HEMT 的优良特性，最恰当的开关电源产品应用功率应该定位与 200W—3KW 之间的交流与直流电源。开拓进取的南京芯干线科技有限公司期待与您做进一步的技术交流，共同推动第三代半导体功率器件在开关电源中的应用。

如果想要说明白这三种 MOS 器件的用途区别，首先要做的是搞清楚这三种功率器件的特性。然后再根据材料特性分析具体应用。 从材料分类来讲： (1) 第一代半导体材料主要是指硅（ Si ）、锗元素（ Ge ）半导体材料。 (2) 第二代半导体材料主要是指化合物半导体 材料， （例如 InP, GaAs 等应用在射频领域） (3) 第三代半导体材料主要以碳化硅（ SiC ）、氮化镓（ GaN ）、氧化锌（ ZnO ）、氮化铝（ AlN ）等化合物材料为代表的宽禁带半导体材料。 从工作特性来讲： （ 1 ） SI MOS 适合在 1KV 150KHz 的开关频率下工作，超级 SI 适合在 300KHz 以内的开关频率下工作。 SI IGBT 适合在 650V--4KV ， 100KHz 以内的开关频率下工作，超级 SI 适合在 1KV 以内、 300KHz 以内， 135 °以内的开关频率下工作。未来的方向超级硅 MOS 器件会逐渐的替代传统硅 MOS 。 （ 2 ） SiC 适合工作在 1KV 以上， 300KHz 以内， 175 °以内的条件下，适合大功率电源设计。一般替代 IGBT 器件。 （ 3 ） GaN 适合工作在 1KV 以内， 2MHz 以内， 150 °以内的条件下，适合应用在几千瓦以内的电源设计，一般用来替代 200m R 以上， 300K 以上工作条件下的 SI-MOS 。 从半导体功率器件替代发展方向来讲： （ 1 ）超级硅会逐渐替代 650V 以内、 200mR 以上内阻的部分 SI MOS 器件。多 为 150W 以内的小型高功率密度电源。 （ 2 ） SIC MOS 主要替代 IGBT 单管。多用在 6KW 以上的高功率密度电源。 （ 3 ） GaN 主要替代 1KV 以内的功率 MOS 或者 IGBT 单管，实现高频化、高功率密度的小体积电源设计。多用在 6KW 以内的高功率密度电源。 从应用方向来讲，电源产品应用了第三代功率半导体之后，高频化、小型化、高效化在电源行业逐渐变的可能。 Si 和化合物半导体是两种互补的材料，化合物的某些性能优点弥补了 Si 晶体的缺点，而 Si 晶体的生产工艺又明显的有不可取代的优势，且两者在应用领域都有一定的局限性，因此在半导体的应用上常常采用兼容手段将这二者兼容，取各自的优点，从而生产出符合更高要求的产品，如高可靠、高速度的国防军事产品。因此第一、三代是一种长期共同的状态。