【導(dǎo)讀】氮化鎵（GaN）作為寬禁帶半導(dǎo)體，正以其卓越的電氣特性引領(lǐng)功率電子行業(yè)的變革。相較于傳統(tǒng)硅基器件，GaN具備更低的導(dǎo)通電阻、極小的柵極電荷和近乎零的反向恢復(fù)電荷，支持更高開關(guān)頻率與能效。這一優(yōu)勢在功率轉(zhuǎn)換和電機(jī)控制領(lǐng)域尤為顯著，不僅助力系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)更高的功率密度、小型化與輕量化，更能大幅降低開關(guān)損耗，甚至省去笨重的散熱器，從而在苛刻的應(yīng)用環(huán)境中實(shí)現(xiàn)更優(yōu)性能與更低綜合成本。
GaN技術(shù)在不同應(yīng)用中的優(yōu)勢
滿足日益增長的高能效和高功率性能的需求，同時(shí)不斷降低成本和尺寸是當(dāng)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(dǎo)體材料氮化鎵 (GaN)的引入代表功率電子行業(yè)在朝著這個(gè)方向發(fā)展，并且，隨著這項(xiàng)技術(shù)的商用程度不斷提高，其應(yīng)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(dǎo)通電阻 RDS(on) 和總柵極電荷(QG)三個(gè)參數(shù)均優(yōu)于相應(yīng)的硅基器件，同時(shí)具有很高的漏源電壓耐壓能力、零反向恢復(fù)電荷和非常低的寄生電容。
電能功率轉(zhuǎn)換是第一個(gè)廣泛應(yīng)用GaN技術(shù)的領(lǐng)域，能夠滿足更嚴(yán)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(guān)頻率能夠讓功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)更高的功率密度、小型化和輕量化，降低成本。
在電機(jī)控制設(shè)計(jì)中，尺寸和能效同樣具有重要意義，最大限度降低驅(qū)動(dòng)器的導(dǎo)通和開關(guān)損耗是節(jié)能降耗的關(guān)鍵所在。
隨著硅基晶體管技術(shù)的功率密度、擊穿電壓和開關(guān)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(jī)驅(qū)動(dòng)性能變得越來越難。在高壓電機(jī)控制應(yīng)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。
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圖1. 基于GaN晶體管的逆變器的簡化框圖
推動(dòng)下一代電機(jī)逆變器的發(fā)展
GaN甚至有望為低頻開關(guān)（最高 20kHz）的應(yīng)用帶來顯著優(yōu)勢。在家用電器領(lǐng)域，電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)如洗衣機(jī)、冰箱、空調(diào)、吸塵器等主要依靠逆變器來控制電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和能效。因?yàn)槭艿綑C(jī)械和功能限制，家電電機(jī)的實(shí)際尺寸基本上是固定不變的，這一點(diǎn)與工業(yè)伺服電機(jī)或精密電機(jī)不同。這意味著，通過縮小電機(jī)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(jìn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的逆變器和相應(yīng)的功率電子器件。
從這個(gè)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(xiàng)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(fù)電荷 (Qrr)很小，實(shí)際上可忽略不計(jì)，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(jī)繞組和絕緣限制了dV/dt最大允許值，但GaN在更高開關(guān)速度下工作的能力，使得設(shè)計(jì)人員能夠精心優(yōu)化開關(guān)邊沿。
此外，GaN開關(guān)還可以安全地大幅縮短死區(qū)時(shí)間，而不會產(chǎn)生橋臂直通風(fēng)險(xiǎn)，上下橋臂開關(guān)之間的轉(zhuǎn)換時(shí)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(shí)間可以提高逆變器能效，降低開關(guān)損耗，同時(shí)又不會影響電機(jī)的可靠性。
盡管性能提升如此顯著，但遠(yuǎn)不止于此。事實(shí)上，所有這些“小”改進(jìn)累加在一起，最終帶來了或許是所有改進(jìn)中最關(guān)鍵的一點(diǎn)：節(jié)省散熱器。
告別散熱器
耗散功率的大幅降低讓設(shè)計(jì)人員能夠?qū)δ孀兤鞴β兽D(zhuǎn)換級中笨重的散熱器進(jìn)行瘦身設(shè)計(jì)，甚至拋棄散熱器。現(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(shè)備長期使用后可能出現(xiàn)的機(jī)械故障，這有望節(jié)省維保成本。
總體結(jié)果是逆變器設(shè)計(jì)變得小型化、輕量化，經(jīng)濟(jì)效益更好，更適合要求嚴(yán)格且競爭激烈的家電市場。
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圖2. 在無散熱器式電機(jī)逆變器上安裝的 700 V GaN
圖2所示波形顯示了在相關(guān)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(jī)逆變器的開關(guān)頻率為 16 kHz，dV/dt 最大值略低于 10V/ns。
該GaN開關(guān)管可以安全地輸出約 800 W 的功率，而不會發(fā)生熱失控。溫升Δt小于 70 °C，在達(dá)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(gè)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(guān)型p-GaN柵極增強(qiáng)模式晶體管，零反向恢復(fù)電荷。STPOWERGaN700 V額定擊穿電壓 (VDS)晶體管目前總共有七款產(chǎn)品，典型導(dǎo)通電阻RDS(on)范圍270 mΩ到53 mΩ，采用DPAK、PowerFLAT 8x8和TO-LL封裝。
該產(chǎn)品組合正在快速擴(kuò)大，增加了不同的封裝、RDS(on)和擊穿電壓的產(chǎn)品。
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