用于高功率和高频率应用的四舍五入GaN基晶体管

随着硅接近其理论极限，制造商现在正在考虑使用宽带隙（WBG）材料来制造高效的高功率和高频场效应晶体管（FET）。

WBG材料，如GaN和碳化硅（SiC），凭借出色的电学特性，克服了硅基高频电子器件的局限性。此外，WBG半导体可以用于可扩展的汽车电气系统和电动汽车（EV）。

 

电动汽车WBG车载充电器的示意图示例。图片由onsemi提供[PDF]

 

此外，由两种宽带隙化合物半导体（如GaN和SiC）制造的晶体管据说具有高击穿电压，并且可以在高温下工作。

考虑到这一点，本文打算研究GaN和SiC晶体管之间的差异，然后总结三种最近上市的GaN器件。

 

晶体管用GaN与SiC的比较

GaN和SiC由于其高电压能力、快速开关速度和对高温的耐受性，通常被认为是高功率和频率电子应用的顶级材料。然而，它们在使用时的性能仍然存在显著差异，特别是在晶体管方面。

 

用于功率器件的GaN、SiC和Si的比较。图片由Alex Avron提供

 

首先，SiC需要范围从18V到20V的高栅极驱动电压来导通具有低导通电阻的器件。这一特性与由GaN制成的晶体管形成对比。此外，SiC晶体管需要范围从-3V到-5V的负电压才能切换到截止状态。

其次，GaN由于其比SiC更高的开关速度，在频率高达100吉赫兹的无线射频电子设备中被主要用作功率放大器。

尽管如此，制造商通常采用这两种WBG晶体管，有时可以在以下情况下使用它们来代替Si：

• 横向双扩散金属氧化物半导体（LDMOS）
• 金属-氧化物-半导体场效应晶体管（MOSFET）
• 超级结MOSFET
• 绝缘栅双极晶体管（IGBT）

鉴于GaN的一些优势，下一节将讨论最新的GaN晶体管，这些晶体管是为了在高功率和频率电子应用中实现更高的效率而制造的。

 

ST的VIPERGAN50高压变频器

我们将深入了解的第一个公告来自意法半导体。最近，它推出了VIPERGAN50，这是一种基于GaN晶体管的功率转换器，可在消费和工业应用中提供高效功率设计，如电源适配器、USB-PD充电器和家用电器电源。

据说，新器件将中功率准谐振零电压开关（ZVS）反激式转换器的设计加速到50W。

该设备旨在在所有线路和负载条件下最大限度地提高效率，利用多模式操作，如：

• 准谐振模式
• 山谷跳跃模式
• 频率折返模式
• 突发模式

由于其强大的功能，包括电流传感和保护电路，如输出过电压保护、棕色输入和棕色输出保护以及输入过电压保护，该设备的制造确保了操作过程中的安全性和可靠性。

 

VIPERGAN50产品的特写。图片【修改】由ST微电子提供

 

该转换器采用5毫米x 6毫米QFN封装，承诺符合旨在实现全球节能和净零碳排放的生态设计规范。

 

EPC的Rad硬功率晶体管

我们将看到的第二个最新产品来自EPC（高效电力转换公司）。针对关键应用，同时确保航空电子和深空领域的高可靠性，EPC宣布了其新的EPC7019 eGaN rad硬功率晶体管设备。

 

eGaN晶体管采用钝化管芯形式。图片由EPC提供

 

新产品利用GaN WBG材料实现高电子迁移率和低温系数。该器件拥有超高频，由于管芯的横向结构，EPC7019 rad硬功率晶体管器件具有超低栅极电荷。

EPC首席执行官兼联合创始人Alex Lidow在评论该产品时指出，基于GaN的晶体管为设计师提供了一种解决方案，其优点是同类最佳硅拉德硬器件的20倍，同时仍保持显著更小和更低的成本。

 

剑桥GaN器件有限公司推出增强型新型氮化镓基技术

这次会议的最终成果来自亚太经合组织2022年会议。在此次活动中，剑桥GaN器件公司宣布了其集成电路增强氮化镓（ICeGaN）技术，以改变GaN基功率晶体管的栅极行为。

这项新技术基于增强型GaN高电子迁移率晶体管，具有超低的比导通电阻和极低的电容。

ICeGaN产品具有约2.5V的高阈值电压，能够抑制dV/dt相关的杂散开启事件，使其操作安全。

 

ICeGaN技术晶体管的特写视图。图片由Cambridge GaN Devices提供

 

此外，工程师可以在半桥有限责任公司的设计中使用ICeGaN技术，因为它使设计者能够提高开关频率和增加密度，从而降低复杂而漫长的开发周期的成本。

ICeGaN器件的一个例子是CGD65A130S2。作为一种ICeGaN器件，它利用GaN独特的材料特性，为广泛的电子应用提供高电流、高击穿电压和高开关频率。

它还具有集成的电流感测功能，使设计者能够在设计中消除外部电流感测电阻器，以加速和提高热性能。

总而言之，在看到这些新器件中的每一个之后，希望为更多的GaN功率器件继续努力。看看其他什么技术会开始出现，这将是一件有趣的事情。