GaN行業新標桿：比業界最佳Si MOSFET效率高2%，兼容所有驅動器

電子發燒友網報道（文/吳子鵬）為了實現“雙碳”（“碳達峰”和“碳中和”）目標，全球主要國家和地區在環保法規上持續收緊，給消費、汽車、工業和能源等重點領域帶來了巨大的挑戰。為了滿足這些法規，電子電氣設備只能持續追求更高的系統效率，實現更高的功率密度。

“Cambridge GaN Devices（以下簡稱：CGD）致力于GaN晶體管和IC的設計、開發與商業化，以實現能效和緊湊性的突破性飛躍，我們的ICeGaN 650V H2系列（以下簡稱：H2系列）能夠幫助系統方案實現更高的效率，整體效率表現比基于業界最佳的Si MOSFET還要高2%。通過產品性能創新，幫助CGD的客戶應對像美國能源效率認證中DOE LevelVII級這樣的嚴苛認證?！痹赑CIM Asia 2023上，CGD亞太區FAE經理徐維利在接受記者采訪時講到。

CGD亞太區FAE經理徐維利

多維度創新讓GaN器件更高效

GaN和SiC器件是PCIM Asia 2023的重頭戲，霸占了一眾展商展區的“C位”。原因很簡單，無論是消費電子、工業電子、汽車電子，還是超大功率應用、可再生能源等領域都將受益于第三代半導體器件的創新，實現產業自身的可持續發展。

市場熱潮推動相關器件快速發展，作為CGD新一代GaN功率器件，H2系列進一步突破GaN器件在效率、可靠性和易用性方面的極限。徐維利表示：“H2系列是一種增強型（eMode）硅基氮化鎵（GaN-on-Si）功率晶體管，為了讓器件在效率上能夠得到進一步提升，器件內采用了包括創新性全集成 NL³電路，集成米勒鉗位的先進箝位結構等創新設計。相較于業界最佳的Si MOSFET，其Q_G降低了10倍，Q_OSS降低了5倍，在350W SMPS（開關電源）應用中，效率高達95%?！?br />
根據他的介紹，NL³電路是SMPS中的Standby線路，使得空載和輕負載功耗創新低。這是一個非常重要的創新，系統并非每時每刻都在滿負載運轉，在空載或者輕負載的情況下，經過測試，NL³電路大約在4毫秒之后將系統中不必要的供電線路全部切斷，使得系統功耗進入一個非常低的水平。據悉，CGD H1系列器件運轉功耗大概為1.3mA，H2系列在空負載情況下能夠下降到100μA的水平。H2系列器件內部電路也得到了優化，能夠降低功耗的部分都采用更小電流去驅動，最終實現的結果是H2系列的運轉功耗也僅為800μA。


H2系列降低功耗的手段還包括內部集成電流檢測功能，無需單獨電流檢測電阻器。另外，由于器件可直接焊接到接地平面的大面積覆銅區域，可以幫助優化散熱和EMI，有助于實現更高的系統功率密度。

H2系列器件，圖源：CGD

下圖是H2系列和目前行業領先GaN競品對比圖，在65 W-USB-PD QR反激和240 W-TCM PFC + LLC應用中，H2系列有明顯的低功耗優勢。

65 W-USB-PD QR反激應用功耗對比，圖源：CGD

240 W-TCM PFC + LLC應用功耗對比，圖源：CGD

消除隱患讓GaN器件更穩健

與現有Si解決方案相比，GaN可以實現更高的效率和更小的尺寸。不過，無論是目前熱門的充電器適配器、其他消費類SMPS，還是光伏能源和數據通信領域，對于產品穩健性都有著很高的要求。原因在于，標準的GaN器件只能承受幾百納秒的短路，需要創新設計克服這一點以實現更高的可靠性和穩健性。而穩健性恰恰是H2系列的優勢。

徐維利指出，和H1系列一樣，H2系列也是基于ICeGaN柵極技術進行設計，提供超越多芯片、外部接口電路和其他單片集成驅動器HEMT的可靠性。這種智能的柵極接口，幾乎消除了典型eMode GaN的弱點，過壓穩健性顯著提高，可提供更高的噪聲抗擾閾值，實現dV/dt雜訊抑制和ESD保護。

相較于傳統P-GaN GATE HEMT和其他增強型GaN器件，ICeGaN柵極技術擁有諸多先進的特性。比如，其閾值電壓Vth高達3V，提供高達20V的柵極電壓擴展范圍。作為對比，傳統P-GaN GATE HEMT的Vth約為1.5V，柵極可承受最大電壓僅為7V。

因此，和業界目前最先進的650 V eMode GaN相比，H2系列在所有溫度下的軟開關和硬開關中的穩健性提高3倍，能夠承受的極限電壓達到72V。

H2系列和業界最先進650 V eMode GaN耐壓對比，圖源：CGD

還有一點必須要提到的是，傳統P-GaN GATE HEMT需要負電壓才能夠安全可靠地關斷，H2系列則不需要。H2系列采用集成米勒鉗位的先進箝位結構，無需負柵極電壓，可實現真正的零電壓關斷，并提高動態R_DS(ON) 性能。

徐維利解讀稱，傳統P-GaN GATE HEMT的Vth非常低，那么在導通或者關斷的時候，一個很小的干擾信號就可能導致誤導通或者誤關斷，在一些半橋拓撲中這是非常危險的，是用戶不愿意看到的情況。那么為了完全關斷，就需要負電壓去讓傳統P-GaN GATE HEMT在關斷時完全截止。由于ICeGaN中Vth更高，就可以監測Gate電壓，當這個電壓低于Vth時，就可以啟動系統中的鉗位開關，將Gate和Sourse強制連接在一起，這種情況下V_GS就趨近于零。那么就可以保證Gate電壓低于Vth，使器件處于完全關斷的狀態。

ICeGaN柵極技術，圖源：CGD

“ICeGaN的零電壓關斷是一種更穩健、更抗干擾的切換模式，可提供卓越的柵極可靠性?！彼麑Υ藦娬{。

從用戶角度出發讓GaN器件更易用

當用戶選擇使用GaN器件時，除了考慮到系統效率和器件穩健性等問題以外，還需要考慮易用性的問題。在GaN器件面世之前，Si MOSFET憑借開關速度高，導通電阻低，不受熱失控影響等優勢，成為很多應用的首選。

GaN器件將功率應用的性能推到了一個更高的水平，不過HEMT只是類似MOSFET，但電流不會流過整個襯底或緩沖層，而是流過一個二維的電子氣層。如果只是簡單地接入傳統Si MOSFET的驅動器，很容易造成GaN器件的絕緣層、勢壘或其他結構性部分被擊穿，導致GaN器件永久性損壞。因此，耗盡型 (dMode)、增強型 (eMode)、共源共柵型 (Cascode) 三種GaN器件都有各自的柵極驅動系統要求。

GaN器件的平面結構，圖源：CGD

如果再讓用戶去針對性設計一套驅動電路，無疑會造成很高的使用門檻，那么在穩健性的前提下提供易用性便是GaN器件主要競爭優勢之一。

“CGD在GaN器件方面的所有創新都能夠讓用戶直接享受‘know how’，而不是需要弄明白器件內部結構和驅動條件是什么。這樣做的好處是，H2系列的驅動方式和傳統Si MOSFET非常類似，采用當下廣泛存在的工業柵極驅動器就可以直接驅動?！毙炀S利談到，“和其他增強型GaN器件不同，H2系列兼容任何Si MOSFET驅動器?！?br />
CGD能夠做到這一點，還是要歸功于ICeGaN柵極技術的創新設計。如果柵極最大可承受電壓為標準的7V，那么驅動電壓只能在5-7V之間，范圍非常窄，很難去匹配Si MOSFET驅動器。并且，傳統P-GaN GATE HEMT完全關斷需要負電壓，需要做額外的線路設計來滿足。

ICeGaN H2 系列柵極技術集成智能柵極驅動和電流檢測功能，圖源：CGD

ICeGaN柵極技術將智能柵極驅動接口和電流檢測功能都集成在器件內部，從器件外部來看，用戶得到一個從0-20V這樣寬泛的驅動電壓范圍，然后正電壓去做鉗位，負電壓通過米勒鉗位除掉，這樣直接接入Si MOSFET驅動器就可以使用了。

從應用領域來看，H2系列器件能夠滿足圖騰柱和單開關PFC，準諧振反激和有源鉗位反激，高頻LLC、PSFB DC/DC轉換器等拓撲結構，可應用于充電器適配器，通用SMPS，PSU、工業SMPS和逆變器，高功率D類音頻產品，光伏逆變器等豐富的領域。徐維利指出，對于650V GaN器件而言，應用拓展是循序漸進的，從消費電子到工業領域，再到伺服器電源和通信電源，對于器件的可靠性和安全性的要求越來越高。后續，CGD會逐漸將過流保護和過溫保護等保護功能集成到器件內部，并開發出更多的封裝類型，保障產品的持續競爭力。

在PCIM Asia 2023上，CGD展出的方案和參考設計包括LLC半橋測試板、350W高功率密度參考設計、350W PFC評估板、1.6kWLLC模組、65WQFC評估板等。

LLC半橋測試板


350W PFC評估板


65WQFC評估板

小結

目前，GaN器件在消費類快充市場已經取得了很大的成功，根據市場調研機構BCC Research的預測數據，預計到2025年全球GaN快充的市場規模將超過600億元。當然，GaN器件的應用不局限于快充，已經逐步滲透到工業、可再生能源、通信電源和航天等領域。隨著市場挑戰逐步增大，對GaN器件的穩健性、可靠性和易用性要求將越來越高，在這些方面，CGD的H2系列無疑已經成為行業發展的新標桿。


更多詳情，請訪問CGD官方網站
https://camgandevices.com/zh/p/products-zh/?utm_source=elecfans&utm_medium=paidad