硅功率 MOSFET 沒有跟上電力電子行業的演進變化，其中效率、功率密度和更小的外形因素是社區的主要需求。電力電子行業已經看到硅 MOSFET 的理論極限，現在需要轉向新元件。氮化鎵或 GaN 是一種高度移動的半導體電子半導體 (HEMT)，被證明在滿足新應用方面具有真正的附加值。

GaN 晶體管比硅 MOSFET 更快、更小。GaN 的性能表明效率和性能得到了顯著提高，從而帶來了一些硅技術無法實現的新應用。板空間非常昂貴。eGaN?的FET，從EPC，在低電感，低電阻，小型和低成本的LGA或BGA封裝。此外，在硬開關和軟開關應用中，與 MOSFET 相比，它們為設計人員提供了同類最佳產品。

氮化鎵場效應管

GaN 開關器件有兩種不同的類型：增強模式 (e-GaN) 和級聯耗盡模式 (d-GaN)。e-GaN 可以作為普通 MOSFET 工作，即使它的柵源電壓降低了。它提供了一個更簡單的封裝，一個沒有體二極管的低電阻，具有像這樣的雙向通道。

d-GaN 晶體管通常是導通的，需要負電壓。您可以通過將 HEMT 晶體管與低壓硅 MOSFET 串聯來解決這個問題，如圖 1 所示。

圖 1：e-GaN（左）和 d-GaN（右）配置

相比之下，e-GaN 晶體管通常是關斷的，而在柵極上施加正電壓時會導通。與 d-GaN 不同，e-GaN 器件不需要負啟動偏置：柵極上的偏置為零，器件關閉并且不傳導任何電流。

e-GaN FET 的閾值低于硅 MOSFET 中的閾值。這提供了非常低的柵漏電容 (C GD )。其低電容結構允許在納秒內以 MHz 頻率切換數百伏特。柵極至源極電容 (C GS ) 是另一個與 C GD相比較大的參數，使 GaN FET 具有良好的 dv/dt 抗擾度。電源開關器件的 dV/dt 靈敏度是由各種寄生電容和柵極驅動電路阻抗引起的。另一方面，Gate-Charge Qg 參數表明器件能夠快速變化，以最小的開關損耗達到更高的 dV/dT。e-GaN 器件比 MOSFET 高 10 倍，而 d-GaN 器件高約 2-5 倍。

要確定電源開關的 dV/dt 靈敏度，您可以使用稱為米勒電荷比 (Q GD /Q GS1 )的品質因數。小于 1 的米勒電荷比將保證理論上的 dV/dt 抗擾度。柵極驅動電路布局成為提高 dV/dt 抗擾度的關鍵因素。

d-GaN 晶體管具有低壓硅 MOSFET 的柵極。因此，現有的商用 MOSFET 柵極驅動器可以輕松操作 d-GaN 開關。d-GaN 器件的一個不利影響是由于添加了硅 MOSFET 引燃電阻，因此具有更高的引燃電阻。對于低電壓 (<200 V)，增加可能很顯著。對于更高的值 (600 V)，附加電阻只能是總導通電阻的 5% 左右。

d-GaN 晶體管增加了封裝的復雜性。Mosfet 器件和 GaN HEMT 之間的寄生電感和電容可能會導致開關瞬變期間的延遲。器件的反向傳導特性在開關類型中很重要。在 MOSFET 中，體二極管的壓降很低，其反向恢復非常緩慢，導致開關損耗非常高。

GaN 器件沒有反向體二極管，但由于其物理性質，能夠反向傳導。在反向傳導的情況下，需要有死區時間。由于串聯 MOSFET 的低壓硅，級聯的 d-GaN 器件具有反向恢復功能。

圖 2：un GaN 器件中的寄生電容和電流

在硬開關轉換器中，輸出電荷在每次上電轉換時消耗在 FET 中。該損耗與 QOSS、總線電壓和開關頻率成正比。GaN FET 的 Q OSS 比硅 FET低得多，減少了每個周期的輸出電荷損失，從而允許更高的頻率（圖 2）。

汽車和消費者解決方案

新興的計算應用程序需要在更小的外形尺寸中提供更多的功率。除了服務器市場不斷擴大的需求外，一些最具挑戰性的應用是多用戶游戲系統、自動駕駛汽車和人工智能 汽車系統正越來越多地轉向 48 V 設備，這是由于電子控制耗能的增加功能和自動駕駛汽車的出現對能量分配系統上的激光雷達、雷達、攝像頭和超聲波傳感器等系統產生了額外的需求。這些處理器是“耗能的”，對汽車行業的傳統 12 V 配電總線來說是一個額外的負擔。對于 48 V 總線系統，GaN 技術可提高效率、減小系統尺寸并降低系統成本。與 MOSFET 解決方案相比，具有兩倍頻率的 250 kHz GaN 解決方案可將尺寸減小 35%，從而降低電感器 DCR 損耗，并將系統成本降低約 20%。氮化鎵異常高的電子遷移率和低溫度系數允許低 QG和零 Q RR。最終結果是一種可以管理具有非常高開關頻率的任務的設備，低導通時間以及導通損耗占主導地位的設備都是有益的。

“高功率 EPC eGaN? FET 在導通狀態下具有更低的電阻、更低的電容、更高的電流和出色的熱性能，這些都是這些功率轉換器的特點，其效率超過 98%。該系列 eGaN FET 將電阻 (R DS (on))減半，以實現高電流和高功率密度應用。” Alex Lidow 博士說 EPC 首席執行官兼聯合創始人。

與上一代相比，最新一代 eGaN FET 的硬開關品質因數也減半，以提高高頻功率轉換應用中的開關性能。GaN 將性能優勢提高到 30 V 可用于構建高功率 DC/DC 轉換器、PoL 轉換器和同步整流器，用于隔離電源、PC 和服務器。

最小、最具成本效益和最高效率的非隔離 48 V – 12 V 轉換器適用于高性能計算和電信應用，可通過采用 eGaN? FET（例如 EPC2045）來實現。EPC2045 的工作溫度 di -40 至 +150 °C，熱阻 di 1.4 °C/W。漏源導通電阻的典型值為 5.6 mΩ（圖 3 和圖 4）。

圖 4：效率與電流 [來源：EPC]

在消費市場，便攜式解決方案正變得越來越“耗能”。考慮到筆記本電腦的小尺寸，有時冷卻解決方案有時幾乎為零，因此能夠管理效率和熱管理非常重要。對快速高效充電器的需求促使市場轉向新的 GaN 解決方案（圖 5）。

圖 5：EPC9148 設備 [來源：EPC]

激光雷達

eGaN? FET 和集成電路是在激光雷達系統中打開激光器時使用的合理選擇，因為可以激活 FET 以產生脈沖寬度極短的高電流脈沖。“短脈沖寬度帶來更高的分辨率，更高的脈沖電流讓激光雷達系統看得更遠。這兩個特性加上它們極小的尺寸，使 GaN 成為激光雷達的理想選擇，”Alex Lidow 說。

EPC提供各種開發板。EPC9144 主要設計用于驅動具有總脈沖寬度為 1.2 ns 的大電流脈沖和高達 28 A 的電流的大電流激光二極管。該板圍繞 15 V EPC2216 eGaN? FET 汽車級 AEC-Q101 設計。EPC9126 和 EPC9126HC 開發板主要用于驅動具有總脈沖寬度低至 5 ns（峰值的 10%）的高電流脈沖的激光二極管。它們采用 100V EPC2212 和 EPC2001C 增強型 (eGaN?) 場效應晶體管 (FET)，分別能夠提供 75 A 和 150 A 的電流脈沖。（圖 6）。

圖6：EPC9144開發板【來源：EPC】

基于這項技術，Cepton 最先進的激光雷達解決方案 Helius 提供先進的物體檢測、跟蹤和分類功能，為智慧城市、交通基礎設施、安全等領域提供廣泛的應用。它體現了三種尖端技術的前所未有的融合：由 Cepton 獲得專利的高準技術 (MMT?) 提供支持的行業領先的 3D 激光雷達傳感；邊緣計算可實現最小數據負擔和最大程度的集成；以及用于實時分析的內置高級感知軟件。

“激光雷達也已成為一個非常重要的市場。它可能是最廣為人知的自動駕駛汽車解決方案。然而，一個快速增長的市場是短距離激光雷達，它被用于諸如只需要看到幾英尺的機器人、用于避免碰撞的無人機和駕駛員警報系統。短程激光雷達系統不需要像遠程激光雷達系統那樣大的電流，但看到短距離意味著您需要更快的脈沖。因為如果您正在測量一米外的物體，這意味著返回信號將在幾納秒內返??回。我們已經展示了脈沖寬度小于 1.2 ns 的短程激光雷達系統。” 亞歷克斯·利多說。

無線電源

“無線能源已準備好融入我們的日常生活。”Alex Lidow 說。發射器可以放置在家具、墻壁、地板上，以高效、經濟地為我們的電子和電氣設備大面積和跨多個設備供電或充電。無線能量傳輸的概念已經為人所知有一段時間了，準確地說是 100 多年，其歷史可以追溯到特斯拉線圈的發明。無線能量傳輸的一個關鍵因素是效率：為了能夠有效地定義系統，發電機傳輸的大部分能量必須到達接收設備。

磁共振技術是實現無處不在的關鍵——實現大面積傳輸、定位接收設備的空間自由以及同時為多個設備供電的能力。

EPC 提供全方位的發射器和接收器參考設計，從單個設備充電到大面積同時供電的多個設備。GaN 可實現低頻 (Qi) 和高頻 (AirFuel) 標準的高效率，支持更低的成本；無論接收設備中使用的標準如何，都可以為設備無線充電的單發射放大器解決方案。依賴 Qi 標準的無線充電系統通過感應耦合在 100 到 300 kHz 范圍內的頻率運行。

音頻應用

D 類音頻系統的低功耗產生的熱量更少，節省了印刷電路板的空間和成本，并延長了便攜式系統的電池壽命。GaN FET 提供更高保真度的 D 類音頻放大器。然而，最近，隨著具有更好物理特性的基于 GaN 的高電子遷移率晶體管 (HEMT) 器件成為現實，D 類放大器性能的飛躍即將到來。

eGaN? FET 的低電阻和低電容提供低瞬態互調失真 (T-IMD)。快速開關能力和零反向恢復電荷可實現更高的輸出線性度和低交叉失真，從而降低總諧波失真 (THD)。

“First-Class D 放大器是為汽車設計的，因為他們希望在汽車中擁有更多的揚聲器和更大的功率。A 類放大器太大了，無法產生超過 25 瓦的功率，但仍然適合放在儀表板中。D 類于 1980 年代首次推出，使汽車具有 16 個揚聲器和 250 瓦的功率。然而，音質永遠不如帶有 D 類的 A 類放大器。這是因為 MOSFET 的開關速度不夠快，因此，相對較低的開關頻率意味著相對較差的再現質量。當然，使用 GaN 器件，您可以達到更高的頻率，”Alex Lidow 說。

空間應用

氮化鎵的增強型版本 (eGaN) 被廣泛用于空間應用的開發。商用 GaN 功率器件的性能明顯高于基于硅技術的傳統 Rad Hard 器件。這允許在衛星、數據傳輸、無人機、機器人和航天器上實施創新架構。

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eGaN FET 具有輻射耐受性、快速開關速度、更高的效率，從而使電源變得更小、更輕（更小的磁體和更小的散熱器尺寸，甚至在許多情況下消除了散熱器）。電源設計人員可以選擇增加頻率以允許使用更小的磁鐵、提高效率或設計兩者的令人滿意的平衡。eGaN FET 也比等效的 MOSFET 小。更快的瞬態響應還可以減小電容器尺寸。

　審核編輯：湯梓紅