【導讀】氮化镓（GaN）作為寬禁帶半導體，正以其卓越的電氣特性引領功率電子行業的變革。相較於傳統矽基器件，GaN具備更低的導通電阻
、極(ji)小(xiao)的(de)柵(zha)極(ji)電(dian)荷(he)和(he)近(jin)乎(hu)零(ling)的(de)反(fan)向(xiang)恢(hui)複(fu)電(dian)荷(he)
，支(zhi)持(chi)更(geng)高(gao)開(kai)關(guan)頻(pin)率(lv)與(yu)能(neng)效(xiao)。這(zhe)一(yi)優(you)勢(shi)在(zai)功(gong)率(lv)轉(zhuan)換(huan)和(he)電(dian)機(ji)控(kong)製(zhi)領(ling)域(yu)尤(you)為(wei)顯(xian)著(zhu)，不(bu)僅(jin)助(zhu)力(li)係(xi)統(tong)實(shi)現(xian)更(geng)高(gao)的(de)功(gong)率(lv)密(mi)度(du)、小型化與輕量化，更能大幅降低開關損耗，甚至省去笨重的散熱器，從而在苛刻的應用環境中實現更優性能與更低綜合成本。

GaN技術在不同應用中的優勢

滿足日益增長的高能效和高功率性能的需求
，同時不斷降低成本和尺寸是當今功率電子行業麵臨的主要挑戰。

較新的寬禁帶化合物半導體材料氮化镓 (GaN)的引入代表功率電子行業在朝著這個方向發展，並且，隨著這項技術的商用程度不斷提高，其應用市場正在迅猛增長。

高電子遷移率晶體管(HEMT)氮化镓(GaN)的品質因數 (FOM)
、導通電阻 RDS(on) 和總柵極電荷(QG)三個參數均優於相應的矽基器件
，同時具有很高的漏源電壓耐壓能力、零反向恢複電荷和非常低的寄生電容。

電能功率轉換是第一個廣泛應用GaN技術的領域
，能夠滿足更嚴格的能效要求讓GaN成為功率轉換係統提高能效的首選解決方案。GaN更高的開關頻率能夠讓功率轉換係統實現更高的功率密度
、小型化和輕量化，降低成本。

在電機控製設計中，尺寸和能效同樣具有重要意義，最大限度降低驅動器的導通和開關損耗是節能降耗的關鍵所在。

隨著矽基晶體管技術的功率密度

、擊穿電壓和開關頻率接近理論極限，依靠傳統矽基MOSFET和IGBT晶體管提升電機驅動性能變得越來越難。在高壓電機控製應用中，電氣特性更為優異的GaN晶體管成為MOSFET和IGBT的有效替代方案。

圖1. 基於GaN晶體管的逆變器的簡化框圖

推動下一代電機逆變器的發展

GaN甚至有望為低頻開關（最高 20kHz）的應用帶來顯著優勢。在家用電器領域
，電機驅動係統如洗衣機、冰箱、空調
、吸塵器等主要依靠逆變器來控製電機轉速

、轉(zhuan)矩(ju)和(he)能(neng)效(xiao)。因(yin)為(wei)受(shou)到(dao)機(ji)械(xie)和(he)功(gong)能(neng)限(xian)製(zhi)，家(jia)電(dian)電(dian)機(ji)的(de)實(shi)際(ji)尺(chi)寸(cun)基(ji)本(ben)上(shang)是(shi)固(gu)定(ding)不(bu)變(bian)的(de)，這(zhe)一(yi)點(dian)與(yu)工(gong)業(ye)伺(si)服(fu)電(dian)機(ji)或(huo)精(jing)密(mi)電(dian)機(ji)不(bu)同(tong)。這(zhe)意(yi)味(wei)著(zhe)，通(tong)過(guo)縮(suo)小(xiao)電(dian)機(ji)本(ben)身(shen)來(lai)減(jian)小(xiao)整(zheng)體(ti)係(xi)統(tong)尺(chi)寸(cun)的(de)傳(chuan)統(tong)方(fang)法(fa)是(shi)行(xing)不(bu)通(tong)的(de)——而是必須改進驅動電機的逆變器和相應的功率電子器件。

從這個意義上講，需要指出的是
，相較於傳統矽基晶體管

，GaN產品並非是某一項參數十分突出
，而是各方麵的綜合性能明顯勝出。

GaN的反向恢複電荷 (Qrr)很小，實際上可忽略不計，寄生電容很低，因此


，可以耐受略高的電壓變化率dV/dt。雖然電機繞組和絕緣限製了dV/dt最大允許值
，但GaN在更高開關速度下工作的能力，使得設計人員能夠精心優化開關邊沿。

此外，GaN開kai關guan還hai可ke以yi安an全quan地di大da幅fu縮suo短duan死si區qu時shi間jian

，而er不bu會hui產chan生sheng橋qiao臂bi直zhi通tong風feng險xian
，上shang下xia橋qiao臂bi開kai關guan之zhi間jian的de轉zhuan換huan時shi間jian可ke以yi輕qing鬆song縮suo短duan到dao矽gui基ji晶jing體ti管guan的de十shi分fen之zhi一yi，更geng短duan的de死si區qu時shi間jian可ke以yi提ti高gao逆ni變bian器qi能neng效xiao，降jiang低di開kai關guan損sun耗hao，同tong時shi又you不bu會hui影ying響xiang電dian機ji的de可ke靠kao性xing。

盡管性能提升如此顯著，但遠不止於此。事實上，所有這些“小”改進累加在一起，最終帶來了或許是所有改進中最關鍵的一點：節省散熱器。

告別散熱器

耗hao散san功gong率lv的de大da幅fu降jiang低di讓rang設she計ji人ren員yuan能neng夠gou對dui逆ni變bian器qi功gong率lv轉zhuan換huan級ji中zhong笨ben重zhong的de散san熱re器qi進jin行xing瘦shou身shen設she計ji
，甚shen至zhi拋pao棄qi散san熱re器qi。現xian在zai，裝zhuang配pei線xian可ke能neng需xu要yao更geng少shao的de製zhi造zao工gong序xu。沒mei有you散san熱re器qi也ye意yi味wei著zhe無wu需xu螺luo釘ding或huo安an裝zhuang接jie頭tou
，從cong而er避bi免mian了le設she備bei長chang期qi使shi用yong後hou可ke能neng出chu現xian的de機ji械xie故gu障zhang，這zhe有you望wang節jie省sheng維wei保bao成cheng本ben。

總體結果是逆變器設計變得小型化、輕量化，經濟效益更好，更適合要求嚴格且競爭激烈的家電市場。

圖2. 在無散熱器式電機逆變器上安裝的 700 V GaN

圖2所示波形顯示了在相關測試中GaN的溫升非常低及平滑。在上麵的示例中
，被測器件的典型 RDS(on) 為 80mΩ。電機逆變器的開關頻率為 16 kHz，dV/dt 最大值略低於 10V/ns。

該GaN開關管可以安全地輸出約 800 W 的功率，而不會發生熱失控。溫升Δt小於 70 °C，在達到150 °C的最高工作結溫 (TJmax)之前
，有充足的安全裕量。

這一優異的測試結果是在沒有安裝散熱器的情況下取得的
，GaN是安裝在一個通用兩層 PCB 上，通過電路板本身散熱。

STPOWER GaN晶體管

STPOWER GaN晶體管本質上是常關型p-GaN柵極增強模式晶體管，零反向恢複電荷。STPOWERGaN700 V額定擊穿電壓 (VDS)晶體管目前總共有七款產品，典型導通電阻RDS(on)範圍270 mΩ到53 mΩ
，采用DPAK、PowerFLAT 8x8和TO-LL封裝。

該產品組合正在快速擴大，增加了不同的封裝、RDS(on)和擊穿電壓的產品。