解读 | 轻松搭载GaN器件，设计攻略看这里！

最新更新时间：2024-10-23

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※文章转载自贸泽电子

如今，围绕第三代半导体的研发和应用日趋火热。由于具有更大的禁带宽度、高耐压、高热导率、更高的电子饱和速度等特点，第三代半导体材料能够满足未来电子产品在高温、高功率、高压、高频等方面更高的要求，被认为是突破传统硅（Si）器件性能天花板的必由之路。

氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）并称为第三代半导体界的“双雄”。其中，SiC在高耐压和大电流应用方面优势突出，近年来在新能源汽车、可再生能源等功率电子领域风头无两；而GaN则凭借出色的击穿场强特性和电子饱和速度，提供出色的低导通电阻和高速开关（高频率工作）性能，在100~600V中等耐压应用中表现抢眼。

图1：GaN和SiC功率器件的特性和应用

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日趋火爆的GaN市场

不难看出，由于GaN的应用范围与传统的Si基器件有更多的交集，因此其市场前景也更为宽广，也更容易在Si基器件替代升级中找到切入点。事实也确实如此，2020年之后，随着在快充适配器中的应用落地，GaN器件成功火出了圈，由此也证明其低导通电阻、高速开关等优异特性，在大功率、高效率和小型化的产品设计上具有显著的竞争优势。

此番在消费领域的成功，也成了GaN器件向工业和数据中心等应用快速渗透的催化剂，GaN的市场规模也随之快速增长。据Yole Group的预测，从2022年到2028年，GaN功率器件市场规模将从1.849亿美元增长至20.4亿美元，复合年增长率高达49%。

如此火爆的市场行情，有实力的半导体厂商自然不会错过，因此近年来GaN领域的“比拼”也越来越浓。想要在这场竞争中胜出，半导体厂商需要在两个方面下功夫：

第一，要有性能优异的GaN器件，并以此为基点逐渐形成完整的产品系列，覆盖不同耐压等级，提供不同的封装形式，以满足不断增长的各类应用所需。

第二，要通过技术创新，不断降低GaN器件的应用开发门槛，让GaN技术能够更广泛地在更广范的应用场景中落地。

在GaN器件领域，ROHM Semiconductor（以下简称ROHM）的 EcoGaN™系列产品组合 ，就是一个成功的范例。该系列不仅包括高性能的GaN开关单品，也包括为简化GaN应用开发而打造的创新器件，在助力终端产品进一步节能和小型化方面，为客户提供价值。

图2：ROHM EcoGaN™ GaN产品标识

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高性能GaN开关单品

GaN HEMT 是GaN开关器件的主流架构，它是利用在半导体异质结处感应出的高迁移率二维电子气体充当通道的场效应晶体管，器件漏极和源极之间的电流高速横向流过二维电子气沟道，从而实现出色的开关特性。基于GaN优异的物理特性，GaN HEMT的薄漂移层可实现650V的耐压和很低的导通电阻，以满足中等功率、中等电压和高频应用中，小型化电源系统设计的要求。

图3：增强型GaN-HEMT的结构

与其他一些GaN领域的玩家相比，ROHM的 GaN HEMT 产品似乎出道时间不长，但实际上其背后的技术积淀十分深厚。

早在2006年，ROHM就开始研发GaN产品，并将为可靠量产LED产品而开发的基本外延和生长技术，成功应用到了GaN HEMT产品上，解决了基于GaN-on-Si衬底的高质量GaN外延层生长的难题。

在2021年，ROHM首先推出了8V栅极-源极额定电压的 150V GaN HEMT器件 ，成功切入GaN器件市场。紧接着在2022年，又推出了首款耐压 650V的GaN HEMT 。凭借其特殊的结构，ROHM将GaN HEMT栅极-源极额定电压从传统的6V提高到8V，提升了GaN器件电源电路的设计裕度和可靠性，也确立了其竞争优势。2023年4月，ROHM的650V GaN HEMT实现了量产，至此形成了150V和650V两大主力分立式GaN开关器件产品系列。

GNP1 EcoGaN™ 650V GaN FET是其中代表性的产品，其低导通电阻和高速开关的特性，可大大提高电源转换效率并减小系统柜尺寸；同时，器件内置的ESD保护功能和出色的散热性能，也能够为提升系统可靠性和设计灵活度提供助力。

归纳起来，该GaN HEMT在打造高开关频率和高密度电源转换器时，具有三大显著优势：

更快的开关速度： 有助于实现快速响应，提高系统整体性能并实现高级功能。

更高的耐压能力： 650V额定电压确保了稳健性和弹性，使其成为电源、电机控制和电动汽车系统等中高压应用的理想之选。

增强的可靠性： 这些器件采用先进的GaN技术构建，具有更出众的热管理性能，有利于提高设备的可靠性并延长使用寿命。

图4：GNP1 EcoGaN™ 650V GaN FET

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解决GaN HEMT栅极驱动痛点

虽然与Si MOSFET相比，GaN HEMT在开关性能上有诸多优势，但是作为一个新型的器件，在实际应用开发时还是会遇到不少痛点，栅极驱动就是痛点之一。

具体来讲，GaN HEMT栅极驱动有两个主要的挑战：其一，GaN HEMT的驱动电压较低（通常为1.5至1.8V），有误启动的风险；其二，GaN HEMT的栅极耐压较低（6V左右），栅极易损坏。因此，需要采用专门优化设计的栅极驱动器，与GaN HEMT配合使用，才能实现一个完整的解决方案。

而这个不得不“添加”的栅极驱动器，不但会增加系统BOM的数量和成本，还会因为要考虑寄生分量影响等额外因素，增加设计的复杂性，成为开发者使用GaN HEMT时的技术门槛。

图5：GaN HEMT面临的栅极驱动挑战

为了帮助开发者轻松跨越GaN HEMT栅极驱动这一技术门槛，ROHM结合自己在功率和模拟两方面的专业经验和技术优势，开发出了集650V GaN HEMT、栅极驱动器和相关外围元器件于一体的 Nano Cap™ 650V GaN HEMT功率级IC ——BM3G0xxMUV-LB系列产品，在简化设计、提高开发效率的同时，更大程度地释放出GaN HEMT的优势性能。

图6：Nano Cap™ 650V GaN HEMT功率级IC

图7：Nano Cap™ 650V GaN HEMT功率级IC框图

该GaN HEMT功率级IC的核心优势，体现在三个方面：

简化GaN器件系统开发： 将650V GaN HEMT、专用栅极驱动器、新增功能和外围元器件集成在一体化封装中，让GaN器件的应用开发更轻松。

轻松替换Si基解决方案： 该功率级IC具有较宽的驱动电压范围（2.5~30V），典型启动时间15μs，传输延迟11~15ns，是现有Si基解决方案理想的“平替”。

更低的损耗，更小的尺寸： 与普通的解决方案相比，该GaN HEMT功率级IC功率损耗降低约20%，所需外置元器件由8个减少为1个，性能提升明显。

图8：Nano Cap™ 650V GaN HEMT功率级IC的优势

一句话总结 ：Nano Cap™ 650V GaN HEMT功率级IC能够满足功率电子系统在小型化、简化设计、可靠性、低损耗等方面的诸多需求，大大拉低GaN应用开发的技术门槛，是工业设备、电源、桥式拓扑和适配器等应用向第三代半导体技术升级时理想的解决方案。

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迈向未来的GaN产品组合

不难看出，在GaN领域ROHM的策略十分清晰：一方面，不断打造分立GaN开关器件精品，充实产品组合；另一方面，通过功能集成，降低GaN系统应用开发的难度，加速GaN的规模化商用。

事实证明，这一策略十分成功。因此面向未来，ROHM还会将这一成功的策略进行到底。

具体来讲，在GaN分立器件单品方面，ROHM将不断扩展现有的两大主力产品，推出第二/三代150V耐压产品、采用新型封装的650V耐压产品等；而在集成化的创新解决方案上，ROHM计划2024年量产搭载伪谐振AC-DC电路或功率因数改善电路，以及搭载半桥电路的产品；并计划在2026年前，陆续量产将GaN HEMT、栅极驱动IC、控制IC集成在同一封装中的产品。