浅谈MOS第三代材料-氮化镓(GaN)

随着智能家居的不断普及，人类对家用电器的要求越来越高。而各种各样的智能电器，都需要电源才能工作。目前电源模块在电器产品中占据了相当大的空间，为了使电器轻量化，市场对更高功率密度的电源需求是有增无减。

硅(Si)电源技术领域的创新曾一度大幅缩减了电源的尺寸，但却很难更进一步。在现有尺寸规格下，硅材料无法在所需的频率下输出更高的功率。而对于即将推出的5G无线网络，以及未来的机器人、可再生能源直至数据中心技术，功率都是一个至关重要的因素。

从硅(Si)半导体元器件发明到现在的60多年来，硅(Si)一直都是半导体器件中的基础材料，在交流电与直流电的转换中起到最关键的作用，调整直流电压以满足生活中从手机到工业机器人等众多应用的电源需求。虽然必要的组件一直在持续改进和优化，但物理学意义上的极限却是横亘在硅材料面前的一条无法逾越的鸿沟。

为了在功率密度上能有进一步的提升，一种基于氮化镓(GaN)的全新电源和转化系统应运而生，它的功率损耗更低，产生的热量更少。由于高温会提高运行成本、干扰网络信号并诱发设备故障，这些特性便显得尤为重要。

氮化镓(GaN)可用在更高频率和更高能效的电源上，与硅组件相比，它可以在尺寸和能耗减半的优势下输送同等的功率，由此便可以提高功率密度，帮助客户在不增大设计空间的同时满足更高的功率要求，或者在同等功率需求下，缩小电源的尺寸体积。更高的频率交换意味着GaN可以一次转换更大范围的功率，减少复杂装置中的功率变换。由于每次功率变换都会产生新的能耗，这对于很多高压应用都是一项显著的优势。

在各种电子电气设备中，不论是消费类电子，家用电器，通讯硬件，电动车，太阳能灯，使用的都是开关电源（SMPS）架构。开关电源的效率一直是困扰着工程师的难题，而其中功率器件MOSFET上的损耗是导致开关电源效率的一个最严重的因子之一。

其主要损耗来自：

1. 导通损耗--Rds(on)
2. 开关损耗--PLoss(IDS和VDS重叠导致)
3. 体二极管反向恢复损耗
4. MOSFET输出电容损耗

所以如果能降低MOSFET的导通电阻，输入输出电荷以及反向恢复电荷，那么就能降低MOSFET上的损耗，达到提高电源效率的目的。

GaN为宽带隙器件（3.4eV），相较于Si（1.12ev）器件，具有高击穿电压，低漏电流，热导率高，高工作温度，高电子迁移率，可高速开关等。

• 较低的RDS（on）：

• 较低的栅极和输出电荷：GaN提供较低的栅极电荷，较低的栅极电荷使设计具有更快的导通时间和转换速率，同时减少损耗。

GaN具有显著较低的输出电荷，首先，开关损耗下降多达80％，结合较低的传导损耗，对功率密度有重大和积极的影响。第二，根据拓扑和应用，设计可在更高的开关频率运行- 高达10倍。这大大减少了磁性材料的尺寸以及设计的尺寸和占用空间，同时将整体效率提高了15%。

MOSFET

GaN

Gate charge栅极电荷

~4 nC-Ω

~1-1.5 nC-Ω

Output charge输出电荷

~25 nC-Ω

~5 nC-Ω

• 零反向恢复：硅MOSFET在50至60 nC范围内具有典型的反向恢复电荷，具体取决于其尺寸和特性，而GaN Qrr为0.

总结：使用GaN FET的电源方案相较于Si MOSFET有：

1. 更高的功率密度

2. 更高的效率，更少的功率损耗，更低的发热

3. 更快的开关频率

4. 数目更少的元器件以及更小的尺寸