Toshiba GaN（氮化镓）功率器件的开发

为实现无碳社会，节能引起人们广泛关注，另一方面，电力需求也在不断增长。小型高效电力转换系统的需求迅速增加。不仅促进了Si（硅）功率半导体器件性能的提高，还引入了化合物功率半导体器件。 Si器件是目前功率器件的主流。SiC器件以其良好的导热性在大功率、高能效应用方面更具前景。GaN器件具有更好的开关特性，适于高效及小型化应用。第三代 半导体材料—氮化镓( GaN)，作为时下新兴的半导体工艺技术，提供超越硅的多种优势。与硅器件相比，GaN在 电源转换效率和功率密度上实现了性能的飞跃，广泛应用于 功率因数校正(PFC)、软开关 DC-DC等电源系统设计，以及电源适配器、光伏 逆变器或 太阳能逆变器、服务器及通信电源等终端领域。

        GaN具备出色的击穿能力、更高的电子密度及速度，和更高的工作温度。GaN提供高电子迁移率，这意味着开关过程的反向恢复时间可忽略不计，因而表现出低损耗并提供高开关频率，而低损耗加上宽带宽器件的高结温特性，可降低散热量，高开关频率可减少滤波器和无源器件如变压器、电容、电感等的使用，最终减小系统尺寸和重量，提升功率密度，有助于实现紧凑的高能效电源方案。同为宽带宽器件，GaN比SiC的成本更低，更易于商业化和具备广泛采用的潜力。从特性上来说，GaN一般多用于650V以下的中低压功率器件及射频和光电领域，而碳化硅（SiC）则主要适用于高压功率器件领域。但无论从哪方面性能来说，都不难发现身为第三代半导体材料的GaN全面碾压硅和第二代半导体材料。

        具体来讲，GaN器件的高频特性是传统硅的5倍以上，这意味着相关的电容电感可以大幅度减少，而这也可以让整体的终端应用尺寸再次大幅缩小；开关速度上也非常快，这使得脉冲变窄，脉冲电流大；单位面积阻抗上也非常低，这可以让整个器件的发热降低到另一个水准，同时这就意味着整体的功耗降低，众所周知功耗既代表着续航、发电成本也代表着更低的发热量。GaN不仅步入寻常百姓家，还为电力工程行业带来变革，具体来说，GaN实现了以往硅 MOSFET 从未达到的高速度、高效率和更高功率密度。从技术方面来讲，GaN 的固有的较低栅极和输出电容支持以兆赫兹级的开关频率运行，同时降低栅极和开关损耗，从而提高效率。不同于硅，GaN不需要体二极管，因而消除了反向恢复损耗，并进一步提高了效率、减少了开关节点振铃和EMI。

       大规模数据中心、企业服务器或电信交换站使得功耗快速增长，因此高效AC/DC电源对于电信和数据通信基础设施的发展至关重要。但是，电力电子行业中的硅MOSFET已达到其理论极限。同时，近来氮化镓(GaN)晶体管已成为能够取代硅基MOSFET的高性能开关，从而可提高能源转换效率和密度。为了发挥GaN晶体管的优势，需要一种具有新规格要求的新隔离方案。GaN晶体管的开关速度比硅MOSFET要快得多，并可降低开关损耗，原因在于：栅极电容和输出电容更低。较低的漏源极导通电阻(RDS(ON))可实现更高的电流操作，从而降低了传导损耗。无需体二极管，因此反向恢复电荷(QRR)低或为零。GaN晶体管支持大多数包含单独功率因数校正(PFC)和DC-DC部分的AC/DC电源：前端、无电桥PFC以及其后的LLC谐振转换器（两个电感和一个电容），下面是此拓扑所示电路。

       有几种解决方案可同时驱动半桥晶体管的高端和低端。关于传 统的电平转换高压驱动器有一个传说，就是最简单的单芯片方案仅广泛用于硅基MOSFET。在一些高端产品，如服务器电源中，使用双通道隔离驱动器来驱动MOS，以实现紧 凑型设计。但是采用GaN时，电平转换解决方案存在一些缺点， 如传输延迟很大，共模瞬变抗扰度(CMTI)有限，用于高开关频率 的效果也不是很理想。与单信道驱动器相比，双通道隔离驱动 器缺少布局灵活性。同时，也很难配置负偏压。比较如下 : 

    由于采用东芝原创常开+共源共栅级联结构，因此便于通过串联栅极电阻（Rg）控制开关转换速率（dVDS/dt）。(传统级联型结构难以控制。)

2. 高性能且易用配置 

    东芝外围电路及相应电路板设计

    VDSS：650V

    RDS(ON)：54mΩ（典型值）

    Package：QFN9×9（9mm×9mm）

 

3. 提高抗噪能力

    采用原创常开型器件，可保证更高的Vth，不易产生故障。（一般常关JFET，Vth约为1.2V）

4. 高效率

在东芝的图腾柱PFC板测试样品上，效率高达99.4%（～2.5kW），经确认效率高于其他器件