从分立器件到IC和SiP，提供提高氮化镓功率效率的策略罗姆氮化镓（GaN）功率解决方案

NEWS

• 2024-02-27 罗姆的EcoGaN™被台达电子Innergie品牌的45W输出AC适配器“C4 Duo”采用！
• 2023-10-19 ROHM开发出可更大程度激发GaN器件性能的超高速栅极驱动器IC
• 2023-07-19 ROHM开发出EcoGaN™ Power Stage IC“BM3G0xxMUV-LB”，助力减少服务器和AC适配器等的损耗和体积！
• 2023-05-16 ROHM开始量产具有业界超高性能的650V耐压GaN HEMT！
• 2023-03-07 ROHM确立可以更大程度激发GaN器件性能的“超高速驱动控制”IC 技术
• 2022-03-24 ROHM确立栅极耐压高达8V的150V GaN HEMT的量产体制

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什么是氮化镓？什么是氮化镓高电子迁移率晶体管（HEMTs）？

氮化镓（GaN）是一种采用镓和氮化合物的化合物半导体；它被认为是下一代功率器件极具潜力的材料。
氮化镓技术因其高效率和对功率电子、光子学、LED技术、射频基础设施和功率集成电路等各种应用的变革性影响而闻名。氮化镓半导体在诸如5G和6G电信、电动汽车和节能照明解决方案等各种技术应用中起着至关重要的作用。需要注意的是，碳化硅（SiC）同样是一种基于硅和碳的化合物半导体。碳化硅可用作生长氮化镓外延层的衬底，尤其适用于射频和功率器件方面的应用。由于其优异的热导率和在氮化镓应用中的稳定性，碳化硅在开发高性能半导体器件（包括LED和功率电子器件）方面至关重要。可以对硅（Si）、碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）的主要物理特性进行比较。由于氮化镓具有比硅更宽的禁带宽度和更高的热导率，因此被称为宽禁带半导体。宽禁带半导体具有高介电击穿电场强度的特点，可以使用更薄的层实现与硅相同的耐压。高电子迁移率晶体管（HEMT）是“High Electron Mobility Transistor”的缩写，它指的是一种场效应晶体管，其中在半导体异质结处诱导产生的高迁移率二维电子气充当沟道。一般来说，HEMTs是在化合物半导体中制造的，除了氮化镓，它们也会使用砷化镓（GaAs）等其他材料。

> 电子小百科:什么是GaN功率器件（GaN HEMT）？

氮化镓的定义和物理特性

氮化镓是一种二元III/V直接带隙半导体材料，近年来因其独特的特性而备受关注。氮化镓具有3.4 eV的宽禁带宽度，与传统的硅MOSFET相比，能够承受更高的电压和温度，这使其成为大功率晶体管的理想材料。
这种直接带隙半导体还因其纤锌矿晶体结构而具备高热导率和机械稳定性。这些特性使氮化镓器件能够在高温下高效运行并能抵抗机械应力，使其适用于功率电子领域中要求苛刻的应用场景，如高频功率转换和高效电源等。
这些物理特性的结合使氮化镓能够以紧凑的外形实现卓越的性能，从而推动各行业的创新发展。

晶体管功率器件的应用范围

功率器件根据材料和器件的不同，具有不同的功率（VA）和工作频率范围。罗姆开始开发氮化镓器件，将其作为对碳化硅和硅器件的补充。氮化镓高电子迁移率晶体管（HEMT）有望成为一种能在中压范围内实现极高频率运行的器件。
氮化镓技术相比传统的硅半导体具有显著优势，包括更高的速度和更低的电阻，这使得氮化镓功率晶体管越来越多地应用于大功率和高频器件中，适用于电子设备电源等应用场景。集成电路在提高效率、缩小尺寸和降低功率转换系统成本方面起着至关重要的作用。

●High Power
●High voltage (>650V)
●High frequency (20 to 200kHz)

• EV inverter, HV DC/DC, OBC
• Server primary power supply
• Solar/wind power　
• Industrial power supply
• Railroad

SiC

●Middle power
●Middle voltage (100 to 650V)
●High frequency (More than 200kHz)

• Server power supply for data center
• Base station power supply
• Small AC adaptor(consumer)
• Automotive OBC, 48V DC/DC

GaN

将氮化镓拓展至更高功率水平

实现更高功率密度

将氮化镓拓展至更高功率水平对于实现功率电子系统中的更高功率密度至关重要。通过提高氮化镓器件的功率处理能力，设计人员可以开发出更紧凑和高效的电力系统，以满足电动汽车、可再生能源系统和数据中心等新兴应用的需求。目前正在研发可在更高功率水平下运行的氮化镓功率晶体管和氮化镓功率集成电路（IC），从而有助于开发更高效、更紧凑的电力系统。氮化镓技术创新（如氮化镓功率晶体管和氮化镓功率IC）的使用预计将在下一代功率电子系统的发展中发挥关键作用。
这些进步将推动高效、高频功率转换的未来发展，使氮化镓成为现代功率电子领域的基石。

氮化镓功率解决方案的优势和挑战

氮化镓相比传统的基于硅的功率电子产品具有诸多引人注目的优势。其主要的优势之一是能够实现更高的功率密度，这有助于开发体积更小、效率更高的功率转换器和电机驱动器。氮化镓功率晶体管以其更快的开关速度、更低的导通电阻和更高的热导率而闻名，使其成为高频和大功率应用的理想选择。特别是氮化镓高电子迁移率晶体管（HEMTs）在实现这些优势方面起着关键作用，因为它们能够在比传统硅基晶体管更高的温度和电压下运行。
这些特性使氮化镓器件能够在更高的温度下运行，减少对大型散热系统的需求，并提升整体系统的可靠性。此外，氮化镓功率的高效率转化意味着更低的能耗和更低的运营成本，这使其成为从消费电子产品到工业电源和可再生能源系统等诸多应用领域的首选。
氮化镓高电子迁移率晶体管的最大优势在于其在高频下的运行能力。它们可以在超过3MHz的频率下工作，而不仅仅是几百kHz。那么，为什么要朝着提高电源频率的方向努力呢？这是因为电源供应中最大的组件是无源器件，即电容器和电感器（线圈）。通过提高频率，这些组件可以实现小型化。然而，目前高频运行面临两个挑战。一个是需要在高达3 MHz的高频下运行的功率控制器IC。另一个挑战涉及电感器和线圈等磁性元件。适合高频运行的磁性元件尚未商业化，目前也没有明确的解决方案。当前的电感器和电容器在高频特性方面存在问题，在超过1MHz的频率下不能理想地运行。因此，目前很难让氮化镓高电子迁移晶体管在MHz范围内运行，仅勉强可用。换句话说，如果不解决这些挑战，就无法充分发挥氮化镓高电子迁移率晶体管的性能。然而，通过提高耐压值，可以在无需大幅提高频率的情况下发挥氮化镓高电子迁移率晶体管的优势。这就是为什么在交流适配器中会采用650V耐压产品并得到广泛应用的原因。
为了充分利用氮化镓高电子迁移率晶体管的优势，有必要使用专用的栅极驱动IC来设计最适合高频驱动的功率电路。这涉及选择电路拓扑结构、优化变压器（磁性元件）和实施噪声和散热应对措施。
当氮化镓高电子迁移率晶体管在高频下驱动时，当高速指令（信号）输入到栅极电极时会发生振铃现象。因此，当尝试在MHz范围内驱动用于诸如交流适配器和USB充电器等应用时，噪声和热设计变得具有挑战性。高频运行还会遇到这样的问题：安装氮化镓高电子迁移率晶体管的电路板的寄生电感会干扰其运行，使其无法正常工作。按照与硅功率MOSFET相同的方式进行设计会导致各种问题。

栅源电压VGS额定值较低问题的应对方法（GaN HEMT）

标准氮化镓高电子迁移率晶体管（HEMTs），额定电压为200V或以下，因其结构设计，其栅源电压（VGS）的额定值通常为6V，栅极驱动电压为5V。这导致栅极驱动电压裕量很窄，仅有1V。额定电压是绝不能超过的关键阈值，一旦超过，就有可能引发运行问题、性能下降，最严重的情况会导致器件故障。因此，精确控制对于确保栅极驱动电压保持在VGS额定值内至关重要。这一要求对氮化镓高电子迁移率晶体管的广泛应用构成了重大挑战。

封装处理难题的应对方法（GaN HEMT）

许多氮化镓高电子迁移率晶体管使用如BGA（球栅阵列）等封装，这对普通电路设计人员来说并不熟悉，使得安装和检测过程具有挑战性。为了解决这些难题，建议采用具有高度通用性的封装，如DFN5060。DFN5060封装具有高可靠性和优异的板载性能，支持大电流，并具有优异的散热性能。此外，与传统封装相比，铜夹片键合封装技术有效地将寄生电感值降低了55%，从而在高频运行时能实现优异的开关特性。

应对噪声对策和热设计复杂性的解决方法（GaN SiP）

尽管氮化镓高电子迁移率晶体管有望在减小尺寸和提高功率转换效率方面发挥重要作用，但与硅MOSFET相比，其栅极处理的复杂性需要使用专用的栅极驱动器。为了解决这一问题，将氮化镓高电子迁移率晶体管和栅极驱动器集成在一个封装中的系统级封装（SiP)或者Power Stage IC，对于电力电路工程师来说会是一种便利的解决方案，能大幅简化安装过程。

罗姆现有氮化镓产品系列（EcoGaN™）

罗姆即将推出的氮化镓产品（Eco GaN™）

关于[可供样品]和[样品MM/YY]，您可以通过点击下方的产品名称下载试用版数据手册。请注意，由于这些文件仍在更新中，规格参数如有变更，恕不另行通知。当您点击查看相关材料时，系统会提示您登录MyROHM。通过注册MyROHM，您将能够查看和下载这些资料。

即将推出的分立器件

【DFN Package】

GNP2050TEC-Z

GNP2070TEC-Z

GNP2130TEC-Z

【TOLL Package】

GNP2025TD-Z

GNP2050TD-Z

【TOLT Package】

GNP2025TF-Z

GNP2050TF-Z

Upcoming Drivers

【Single GDIC】

BD2312GWL-LB

【Single GDIC with LDO】

BD3GD**NVX-LB

【Half bridge Driver】

BD4HB00FV-LB

【Isolated GDIC】

BM6GD11BFJ-LB

Upcoming Power Stages

【TOLL Package】

BM3G201TD-LBZ

BM3G204TD-LBZ

BM3G205TD-LBZ

BM3G207TD-LBZ

BM3G212TD-LBZ

【TOLT Package】

BM3G201TF-LBZ

BM3G202TF-LBZ

【Half bridge】

BM4G005MUV-LB

Upcoming Power Stages

【QR Flyback】

BM3GQ1A2MUV-LBZ

BM3GQ1A3MUV-LBZ

【BCM PFC】

BM3GF01MUV-LBZ

BM3GF02MUV-LBZ

Upcoming Controller

【TP-PFC】

BM85060FV

【LLC】

BM85080FV-LB

【AHB】

BM1AH001FV-LB

助力应用性能提升的氮化镓参考设计

什么是EcoGaN™？

罗姆通过其EcoGaN™系列氮化镓器件系列持续提升器件性能，有助于实现更大程度的能源应用的节能和小型化。在开发罗姆产品的同时，罗姆还将通过战略合作伙伴关系促进联合开发，通过提高应用效率和紧凑性为解决社会课题作出贡献。

• EcoGaN™是ROHM Co., Ltd.的商标或注册商标。

使用氮化镓的应用示例
~ 罗姆的氮化镓功率解决方案推动多样化应用 ~

相关资料

• * EcoGaN™ is a trademark or registered trademark of ROHM Co., Ltd.