電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文 / 吳子鵬）隨著人工智能、數(shù)據(jù)中心、汽車(chē)電子和消費(fèi)電子等應(yīng)用領(lǐng)域的快速發(fā)展，第三代半導(dǎo)體 ——GaN（氮化鎵）正迎來(lái)前所未有的增長(zhǎng)機(jī)遇。根據(jù) TrendForce 集邦咨詢(xún)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2024 年全球 GaN 功率元件市場(chǎng)規(guī)模為 4.85 億美元，預(yù)計(jì)到 2030 年將達(dá)到 43.76 億美元，期間年復(fù)合增長(zhǎng)率（CAGR）高達(dá) 49%。

GaN 器件最初主要應(yīng)用于消費(fèi)電子等低功率領(lǐng)域，例如智能手機(jī)快充適配器、LED 照明驅(qū)動(dòng)等。隨著材料工藝和器件架構(gòu)的創(chuàng)新，GaN 器件正突破功率限制，進(jìn)入中高功率領(lǐng)域。近日，全球半導(dǎo)體解決方案供應(yīng)商瑞薩電子宣布推出三款新型高壓 650V GaN FET——TP65H030G4PRS、TP65H030G4PWS 和 TP65H030G4PQS，適用于人工智能（AI）數(shù)據(jù)中心和服務(wù)器電源（包括新型 800V 高壓直流架構(gòu)）、電動(dòng)汽車(chē)充電、不間斷電源電池備份設(shè)備、電池儲(chǔ)能和太陽(yáng)能逆變器等場(chǎng)景。

Kenny Yim, Senior Director of GaN/Power at Renesas 表示：“瑞薩電子 D-MODE 類(lèi)型 GaN 器件一直面向高功率應(yīng)用，采用瑞薩電子自主研發(fā)的、獨(dú)有的 D-MODE GaN 專(zhuān)利技術(shù)。此次發(fā)布的四代半產(chǎn)品（也稱(chēng)第四代增強(qiáng)型，Gen IV Plus）專(zhuān)為多千瓦級(jí)應(yīng)用設(shè)計(jì)，能夠幫助客戶(hù)進(jìn)一步提升系統(tǒng)效率和功率密度。”

D-MODE 和 E-MODE 之爭(zhēng)

從柵極技術(shù)路線(xiàn)來(lái)看，GaN 功率器件主要分為兩大技術(shù)路線(xiàn)：增強(qiáng)型 E-Mode 和耗盡型 D-Mode。

Mode 類(lèi)型 GaN 器件是一種常關(guān)型器件，通過(guò)在柵極下方引入 p-GaN 層形成內(nèi)置負(fù)偏壓，實(shí)現(xiàn) 0V 關(guān)斷和正壓導(dǎo)通。在應(yīng)用方面，由于 E-Mode GaN 的常關(guān)特性，其使用方式可參考傳統(tǒng)的硅 MOSFET，但需精心設(shè)計(jì)外圍電路或者使用專(zhuān)門(mén)的驅(qū)動(dòng) IC，以解決高 dv/dt 干擾等問(wèn)題。

Mode 類(lèi)型 GaN 器件是一種常開(kāi)型器件，基于 AlGaN/GaN 異質(zhì)結(jié)的二維電子氣（2DEG）自然形成導(dǎo)通通道，需通過(guò)負(fù)柵壓關(guān)斷。D-Mode 具有更高的電流密度和更低的導(dǎo)通電阻，這意味著在同樣的功率輸出下，采用 D-Mode 設(shè)計(jì)的功率半導(dǎo)體器件體積更小，效率更高。

目前，在低功率應(yīng)用中，E-Mode 類(lèi)型 GaN 器件已經(jīng)廣泛普及，且器件成本已與傳統(tǒng)的硅器件趨近，具有較高的性?xún)r(jià)比。不過(guò)，Kenny Yim 指出，在高功率應(yīng)用上，E-Mode 類(lèi)型 GaN 器件還存在一些突出的缺點(diǎn)。比如：E-MODE 的 vGs 門(mén)柵電壓較低，一般只有 1V，最大值僅為 5 - 6V；E-MODE 存在動(dòng)態(tài)電阻問(wèn)題，在實(shí)際使用中其 Rds (on) 變化較快，在高功率場(chǎng)景里會(huì)影響可靠性和性能；E-MODE 無(wú)法使用 TO247、TO220 等常規(guī)的工業(yè)類(lèi)封裝，否則會(huì)引發(fā)誤導(dǎo)通問(wèn)題；另外，E-MODE 作為二極管使用時(shí)，反向?qū)ǖ碾妷航递^大，會(huì)產(chǎn)生較高的功耗。而 D-Mode 類(lèi)型的 GaN 器件在高功率場(chǎng)景則不存在這些問(wèn)題。

Kenny Yim 強(qiáng)調(diào)：“在 D-Mode 類(lèi)型的 GaN 器件中，最關(guān)鍵的技術(shù) —— 用 MOS 管來(lái)控制 D-MODE GaN，是瑞薩電子獨(dú)有的專(zhuān)利技術(shù)。預(yù)計(jì)在未來(lái) 20 年里，也只有瑞薩電子能夠提供這樣的專(zhuān)利技術(shù)?！?br />
據(jù)介紹，瑞薩電子在 D-Mode 類(lèi)型 GaN 器件的研發(fā)上，覆蓋了從外延片到封裝的全流程，還能幫助客戶(hù)完成理想的方案設(shè)計(jì)。Gen IV Plus 產(chǎn)品比上一代 Gen IV 平臺(tái)的裸片小 14%，基于此實(shí)現(xiàn)了 30 毫歐（mΩ）的更低導(dǎo)通電阻（RDS (on)），較前代產(chǎn)品降低 14%，并且在導(dǎo)通電阻與輸出電容乘積這一性能指標(biāo)（FOM）上提升 20%。該產(chǎn)品擁有標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品驗(yàn)證，且已開(kāi)始進(jìn)行車(chē)規(guī)級(jí)驗(yàn)證，目前只有瑞薩電子能夠生產(chǎn)車(chē)規(guī)級(jí)的 GaN 器件。

全面優(yōu)化的新型 Gen IV Plus 產(chǎn)品

基于 Gen IV Plus 平臺(tái)，瑞薩電子推出了三款新型高壓 650V GaN FET——TP65H030G4PRS、TP65H030G4PWS 和 TP65H030G4PQS，提供 TOLT、TO-247 和 TOLL 三種封裝選項(xiàng)，使工程師能夠靈活地針對(duì)特定電源架構(gòu)定制熱管理和電路板設(shè)計(jì)。

Gen IV Plus 平臺(tái)的三款新產(chǎn)品具備出色的產(chǎn)品特性。以 TP65H030G4PRS 為例，其是采用 TOLT 封裝的 30mOhm、650V GaN 器件，采用符合 JEDEC 標(biāo)準(zhǔn)的 GaN 技術(shù)，并經(jīng)過(guò)了低動(dòng)態(tài)電阻 Dynamic RDS（on）eff 驗(yàn)證。該器件擁有零反向恢復(fù)電荷，能夠減少分頻損耗，在硬開(kāi)關(guān)和軟開(kāi)關(guān)電路中實(shí)現(xiàn)更高的效率，從而提高功率密度、減小系統(tǒng)尺寸和重量、整體降低系統(tǒng)成本。因此，TP65H030G4PRS 能夠?yàn)?AI 數(shù)據(jù)中心和電信電源、電動(dòng)汽車(chē)充電、光伏逆變器、不間斷電源（UPS）、電池儲(chǔ)能裝置（BESS）等應(yīng)用提供出色的性能和性?xún)r(jià)比。

Gen IV Plus 平臺(tái)的三款新產(chǎn)品在封裝技術(shù)上也頗具匠心，采用緊湊型 TOLT、TO-247 和 TOLL 封裝，為 1kW 至 10kW 的電源系統(tǒng)提供了廣泛的封裝選擇，既能滿(mǎn)足熱性能與布局優(yōu)化的要求，還可并聯(lián)組成更高功率的電源系統(tǒng)。新型表面貼裝封裝包括底部散熱路徑（TOLL）和頂部散熱路徑（TOLT），有助于降低外殼溫度，方便在需要更高導(dǎo)通電流時(shí)進(jìn)行器件并聯(lián)。此外，常用的 TO-247 封裝為客戶(hù)帶來(lái)更高的熱容量，以實(shí)現(xiàn)更高的功率。

Kenny Yim 表示，瑞薩電子也為 Gen IV Plus 平臺(tái)新產(chǎn)品的使用提供全面的技術(shù)支持，提供涵蓋高功率與低功率的全面 GaN FET 解決方案，這與其它許多僅在低功率段取得成功的廠(chǎng)商形成鮮明對(duì)比。豐富的產(chǎn)品組合使瑞薩電子能夠滿(mǎn)足更廣泛的應(yīng)用需求和客戶(hù)群體。他以典型的服務(wù)器、數(shù)字儲(chǔ)能、通信里的 AC-DC 電源為例，瑞薩電子的 GaN 器件可以幫助用戶(hù)實(shí)現(xiàn) AC 輸入后的圖騰柱 PFC；在 AC-DC 部分，無(wú)論是半橋、LLC 還是全橋，D-MODE 類(lèi)型的 GaN 器件都具有顯著的性能優(yōu)勢(shì)，能打造出高性能的 MOS 管；在同步整流方面，瑞薩電子后續(xù)也會(huì)推出低壓的 GaN 器件，包括從 65V 到 150V 的 GaN 用于同步整流。

截至目前，瑞薩電子已面向高、低功率應(yīng)用出貨超過(guò) 2,000 萬(wàn)顆 GaN 器件，累計(jì)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行時(shí)間超過(guò) 300 億小時(shí)。