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GaN FET的应用促进电源极致功率密度设计

发布时间：2025-05-28 点击数：
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氮化镓作为第三代半导体材料，具有多项优异的物理特性。首先，GaN的宽禁带（约3.4 eV）使其能够在高温、高压和紫外光等极端条件下稳定工作。其次，GaN的高电子迁移率和高热导率使其成为高效功率开关和射频功率放大器的理想材料。此外，GaN的化学稳定性和机械强度也使得其在恶劣环境下的应用成为可能。正因如此，GaN被广泛应用于半导体照明、电力电子、无线充电和数据中心等领域。随着模块电源越来越向着小体积、高功率密度方向发展，器件尺寸和系统散热等成了最直接的问题点，要缩减磁性材料的尺寸必然就要提高开关频率，因此第三代GaN功率器件就成了高功率密度应用方向的必然选择，关于选用GaN FET有以下这些优点：

极小的封装尺寸

和硅基的FET相比，如果是在相同的额定电压下，GaN器件的每单位面积的导通电阻值要低得多，这使GaN器件的封装尺寸显着减小。具体数据情况见下图：

一平方毫米器件的理论导通电阻值与硅、碳化硅和氮化镓基功率器件的阻断电压能力的比较

另外从系统的角度来看，由于氮化镓器件开关快，因此可实现更高的开关频率、缩小无源元件和在某些情况下，不需依靠机械散热，因此采用GaN FET可整体缩小最终解决方案的尺寸并同步减轻其重量。

实际上，氮化镓器件向更小尺寸方向进化的潜力还相当巨大，即使是目前市场上最新的氮化镓器件，其尺寸也比氮化镓器件在理论上能达到的最小尺寸极限要大300倍。

实现系统更高功率密度和更高效率

由于氮化镓器件显著改进开关性能，让多种应用实现创纪录的功率密度和效率，其中一个范例是一款48 V电源，用于云计算、人工智能、机器学习和游戏等的高密度计算；对于此应用，基于氮化镓器件的参考设计在48 V/12 V-DCDC电源转换器上展示了前所未有的功率密度( > 4 kW/in3)，峰值效率为96.3%，而在向12 V负载提供1 kW电能时，实际效率为93.8%，电源模块的尺寸也达到了惊人的17.5×22.8×7.7 mm。

更好热性能

与具有相同导通电阻的MOSFET器件相比，GaN FET的面积小得多，但它具有出色的绝对散热性能。事实上，芯片级氮化镓晶体管-外壳的热阻 (RθJC) 低于硅器件，因此结-外壳路径提供了良好的导热性。

高速开关频率

基于硅技术的MOSFET，以最快的超结型为例，理论上能达到的开关速度远不及GaN，实际应用中前者基本都在100KHz以内，而后者能轻松实现2MHz以上的开关频率实际线路设计，同时能保证有较低的开关损耗。下图是两者在对应Vds电压下的Qoss值的对比，两者的性能差就一眼了然。

再来对比一下输出电容Coss的情况

因磁材这种开关电源的关键器件尺寸是直接受限于开关频率的，所以小型化高功率密度的设计必然要选择高速开关器件，GaN就是其中之一。

以下是各类器件在功率等级和应用频率上的对比

同时可以对比下在1KW的PFC线路中几种材质功率器件的损耗情况对比

GaN的低损耗特性非常突出，这也为高效率电源的设计提供了支持。

物理特性

二维电子气（2DEG）是GaN性能的核心所在。其形成过程包括AlGaN/GaN异质结中因晶格失配和自发极化效应产生的内置电场，这个电场使得电子在界面附近聚集，形成高迁移率的电子通道。二维电子气的存在使得GaN具有更小的导通电阻、更高的开关频率和更低的开关损耗。与SiC相比，GaN能够在异质结中形成二维电子气，这是因为SiC材料的极化效应和晶格失配较弱，无法有效地形成类似的高迁移率通道。正因如此，GaN在高频领域的表现优于其它材质的MOSFET。

总体来说，GaN作为一种新型高频、高功率开关器件，在多个重要应用领域表现出了独特的优势。与其它材质MOSFET相比，GaN在频率响应和开关速度方面具有明显的优势，尤其在高效电源转换器等领域具有巨大的应用潜力。然而，GaN仍面临耐压和散热等方面的挑战，需要通过进一步的技术创新和优化解决。未来，随着GaN技术的不断发展，我们有理由相信其将在高效电子产品的设计与应用中发挥越来越重要的作用。