低壓GaN器件，為什么還未被廣泛應(yīng)用

電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/梁浩斌）從消費(fèi)電子電源類產(chǎn)品開始，GaN拉開了巨大市場發(fā)展空間的序幕，并逐漸往數(shù)據(jù)中心、汽車OBC甚至主驅(qū)逆變器等領(lǐng)域滲透。主流應(yīng)用的650V GaN HEMT在充電頭、以及數(shù)據(jù)中心電源上已經(jīng)開始被廣泛應(yīng)用。

而隨著數(shù)據(jù)中心單機(jī)架的功率不斷提高，數(shù)據(jù)中心的次級(jí)端，機(jī)架的配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)電壓從12V往48V升級(jí)。與此同時(shí)，數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)的DC-DC中，低壓的GaN器件，比如40V和100V規(guī)格的GaN在這些系統(tǒng)中越來越受到重視。

今年，OPPO在智能手機(jī)端也首次將低壓GaN器件應(yīng)用到手機(jī)內(nèi)部，用于快速充電的電路中。按照OPPO的說法，一顆GaN開關(guān)管可以代替以往方案中使用的兩顆硅基MOSFET，能夠減少體積，并由于GaN器件阻抗相比硅器件更低，在熱管理上也有更好的表現(xiàn)，降低充電路徑上的熱量消耗，降低充電溫升，提升充電性能。

所以，低壓GaN器件有沒有機(jī)會(huì)取代更多硅基器件，比如在消費(fèi)電子產(chǎn)品內(nèi)的負(fù)載點(diǎn)POL轉(zhuǎn)換器中替代更多低壓的硅基器件？

如果從GaN器件的角度來看，目前市面上有多家廠商都推出了100V、40V甚至更低電壓的GaN器件。比如英諾賽科、EPC、GaNSystems等，其中EPC甚至有15V的GaN產(chǎn)品供應(yīng)。

EPC在2016年推出了一款型號(hào)為EPC2040的GaN功率晶體管，擊穿電壓為15V，在5V驅(qū)動(dòng)電壓下導(dǎo)通電阻為30mΩ，工作溫度支持-40℃~150℃，可以應(yīng)用于自動(dòng)駕駛激光雷達(dá)等場景。

今年5月國內(nèi)GaN器件龍頭英諾賽科在IEEE功率半導(dǎo)體器件國際研討會(huì)(ISPSD)上展示了其15V GaN HEMT的研究進(jìn)展，據(jù)介紹，他們這款15V GaN HEMT在5 V V in / 1.5~4 V V out的轉(zhuǎn)換比下，采用半橋配置的GaN HEMTs制作的降壓轉(zhuǎn)換器在10 MHz下的效率超過90%。當(dāng)開關(guān)頻率增加到30 MHz時(shí)，轉(zhuǎn)換器仍然保持80%以上的效率。

然而現(xiàn)實(shí)可能沒有想象中美好，英諾賽科在會(huì)議上還提到，盡管業(yè)界在低壓GaN HEMT方面做出了巨大努力，電源開關(guān)通常已經(jīng)低于40V，努力向消費(fèi)電子產(chǎn)品的應(yīng)用推進(jìn)。但與硅器件相比，低壓GaN HEMT在消費(fèi)電子產(chǎn)品上的廣泛應(yīng)用還面臨很大挑戰(zhàn)。

在技術(shù)層面上，隨著GaN器件的尺寸縮小，接觸電阻和寄生電容的比例會(huì)大幅上升，閾值電壓下降，導(dǎo)致導(dǎo)通錯(cuò)誤的風(fēng)險(xiǎn)提高，關(guān)斷狀態(tài)泄露電流增加，以致于靜態(tài)損耗和動(dòng)態(tài)損耗不穩(wěn)定。英諾賽科認(rèn)為，這些問題都影響了GaN HEMT在小體積的消費(fèi)電子產(chǎn)品上廣泛應(yīng)用的可能。

另一方面，有業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為，在100V以下的低壓領(lǐng)域，GaN相比硅有開關(guān)損耗和功率密度的優(yōu)勢(shì)，但目前低壓的硅基器件已經(jīng)做得足夠好，成本上的巨大優(yōu)勢(shì)是GaN難以逼近的。除非是一些特殊的應(yīng)用中，對(duì)開關(guān)頻率要求較高，比如前面提到OPPO在手機(jī)快充電路中用一顆GaN開關(guān)管替代以往兩顆硅基MOSFET的操作。

無論如何，業(yè)界對(duì)低壓GaN器件的研究還在繼續(xù)，不少研究團(tuán)隊(duì)都在這個(gè)方向努力，比如德國Fraunhofer IAF研究所的科學(xué)家在PCIM2021上發(fā)表過關(guān)于緊湊型低壓GaN HEMT設(shè)計(jì)的論文?；蛟S隨著成本的持續(xù)降低，以及快充等需求的持續(xù)升級(jí)，低壓GaN器件會(huì)有取代硅的一天。