瑞薩電子通過下一代功率FET將GaN推向千瓦級
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幾十年來，硅一直是電力電子領域無可爭議的領導者。但隨著硅達到其性能極限，氮化鎵 （GaN） 功率器件正在取得進展。憑借更快的開關速度和更高的效率，氮化鎵已經(jīng)在消費類快速充電器中發(fā)揮了重大作用，與硅相比，實現(xiàn)了系統(tǒng)級成本、空間和功耗節(jié)省。然而，盡管具有所有功率處理特性，但基于氮化鎵的橫向高電子遷移率晶體管 （HEMT） 一直在努力進入千瓦級功率設計。
瑞薩電子正試圖通過其最新的高壓氮化鎵功率 FET 來改變這一現(xiàn)狀，該 FET 專為要求苛刻的系統(tǒng)而設計，從數(shù)據(jù)中心的 AI 服務器電源和不間斷電源 （UPS） 到電動汽車充電器、逆變器和可再生能源存儲系統(tǒng)。瑞薩電子表示，Gen IV Plus 系列的導通電阻降低了 14%，將 650V GaN FET 與硅兼容柵極集成在一起，降低了開關損耗，同時保持了硅 FET 的靈活性和簡單性。
這些器件采用緊湊的 TOLT、TO-247 和 TOLL 封裝，旨在支持 1 至 10 kW 的功率水平，并聯(lián)后甚至更高。表面貼裝封裝包括底部 （TOLL） 和頂部 （TOLT） 熱傳導路徑，以減少熱量，從而在需要更高導通電流時更容易并聯(lián)。TO-247 封裝支持更高的熱能力，可擴展到更高的功率水平。
“瑞薩電子正在加倍投入氮化鎵，”該公司氮化鎵電源業(yè)務副總裁兼 Transphorm 的聯(lián)合創(chuàng)始人 Primit Parikh 說，Transphorm 是一家功率半導體初創(chuàng)公司，該公司于 2024 年收購。他指出，瑞薩電子還暫停了碳化硅 （SiC） 器件和 IGBT 的開發(fā)，以專注于擴大其在數(shù)據(jù)中心等快速增長的市場的足跡，在這些市場中，氮化鎵可實現(xiàn)更緊湊、更高效的功率轉換。他補充說，“氮化鎵最終將取代硅和碳化硅器件的許多應用。
Parikh 表示，新戰(zhàn)略旨在構建更完整、更具競爭力的 GaN 功率 FET 路線圖，通過并聯(lián)將寬禁帶半導體推向從數(shù)十瓦到超過 100 kW 的功率水平。該公司現(xiàn)在正在投資他所謂的“氮化鎵生態(tài)系統(tǒng)——一種基于產(chǎn)品的產(chǎn)品。我們所說的氮化鎵生態(tài)系統(tǒng)是指氮化鎵器件、驅動器、控制器、IC 和解決方案。
瑞薩電子還將生產(chǎn)從 150 毫米硅基氮化鎵晶圓轉變?yōu)?200 毫米硅基氮化鎵晶圓，以降低成本?！暗壍某杀咀兊梅浅Ｓ懈偁幜?，制造也正在擴展到更大直徑的晶圓，”Parikh 指出。
D模式和E模式功率氮化鎵的區(qū)別
新的Gen IV Plus系列利用了該公司的SuperGaN技術，這是一種由Transphorm開發(fā)的強大的耗盡模式（d模式）、常關架構，以及瑞薩電子易于冷卻的封裝。
與硅 MOSFET 不同，d 模式器件默認處于“導通”狀態(tài)，使電流能夠在沒有任何柵極電壓的情況下從源極流向漏極。因此，必須通過向器件的柵極施加負電壓來有意關閉功率晶體管。
為確保功率器件保持關閉狀態(tài)，封裝內放置了一個單獨的硅 FET 來控制 GaN 的柵極電壓。MOSFET 與電源中的柵極驅動器連接，每個周期打開和關閉 GaN。
這與更廣泛使用的增強模式或e模式器件形成鮮明對比，后者類似于標準硅MOSFET。在e模式下，功率晶體管通常處于“關斷”狀態(tài)，并在正柵極電壓下導通。這些器件在器件柵極的正下方加入了一小塊 GaN（也稱為 p 型摻雜 GaN），以保持晶體管關閉。
Parikh 說，雖然這些 FET 相對容易驅動，但它們會給制造過程增加很多復雜性，從而影響高壓下的性能。
雖然e模式仍然是低壓GaN的黃金標準，但瑞薩電子解釋說，d模式在高壓、多千瓦級電力系統(tǒng)中具有潛力，在這些系統(tǒng)中，性能、效率和冷卻是痛點。
e-mode器件的權衡之一是，隨著溫度的升高，飽和電流（IDsat）可能會降低約50%。IDsat是指功率晶體管完全導通時從漏極流向源極的最大電流。Parikh表示，即使在千瓦功率水平的典型高工作溫度下，其d模式器件也可以提供比e模式多得多的電流?！斑@意味著您可以以更高的效率從更小的芯片中獲得更多的功率?！?/p>
另一個權衡源于 GaN 的一個稱為“動態(tài)導通電阻”的特性，這意味著器件的導通電阻取決于器件在導通電流時的擊穿電壓。更高的額定電壓（例如 650 V）意味著更高的導通電阻，這最終轉化為更高的功率損耗。瑞薩電子表示，其 d 模式器件不像 e 模式那樣受動態(tài)導通電阻的影響。
最重要的是，該公司表示，d-mode 架構可以處理更高的閾值電壓（高達 4 V），這是目前 e 模式無法實現(xiàn)的。因此，據(jù)瑞薩電子稱，客戶可以避免使用負柵極驅動電壓，而 e 模式器件經(jīng)常需要負柵極驅動電壓，以提高抗噪性。處理更高電壓的能力還降低了電壓過沖的風險，從而增強了其在處理千瓦功率時的可靠性。在e模式下工作的GaN功率FET的典型閾值為1.5至1.7 V。
瑞薩電子表示，SuperGaN 還因其靈活性而脫穎而出。在許多情況下，需要特殊的高性能柵極驅動器IC才能領先于e模式器件的更快開關頻率。通過在器件前端使用硅 MOSFET，其 GaN 功率 FET 可與標準的現(xiàn)成柵極驅動器配合使用，并且柵極驅動電壓可以根據(jù)客戶的要求進行配置。廣泛的兼容性有助于簡化設計并簡化 GaN 與高密度電源系統(tǒng)的集成。
最后一個優(yōu)點是魯棒性。雖然e模式器件可以處理6至8 V之間相對有限的柵極電壓范圍，但新的d模式器件的工作電壓最高為±18 V。因此，SuperGaN 技術可以比大多數(shù)其他 GaN 功率器件承受更多的噪聲。這有助于防止功率晶體管因器件柵極處的瞬態(tài)電壓而意外導通，這通常是由噪聲引起的。
瑞薩電子表示，通過降低柵極過應力風險，它可以在 TO-247 和 TO-220 等傳統(tǒng)功率封裝中提供 GaN 器件，而無需額外的保護，從而能夠為現(xiàn)有的高功率設計進行直接升級。
數(shù)字：瑞薩電子的高壓 GaN 功率 FET
瑞薩電子基于與其第四代平臺相同的超級氮化鎵技術，對芯片設計和工藝技術進行了廣泛的改進，以突破氮化鎵的性能界限。
氮化鎵電源開關的主要特性之一是其通道中電子的高遷移率，通道在器件柵極下方運行，電流在源極和漏極之間流動。這使得它的開關頻率比硅高得多，不僅可以實現(xiàn)更高效的功率轉換，還可以減小系統(tǒng)中磁性元件和無源器件的尺寸，從而節(jié)省系統(tǒng)級成本。
瑞薩電子表示，基于比 Gen IV 技術小 14% 的芯片，Gen IV Plus 將導通電阻降低了相同百分比，達到 30 mΩ，從而減少了開關功率損耗和相關熱量。
它還提高了功率 FET 的開關性能，包括導通電阻乘以柵極電荷 （Qg） 提高了 50%，Parikh 稱之為主要的“輸入品質因數(shù)”。Qg 是打開和關閉功率晶體管所需的總電荷，是確定器件在高頻電源中功率損耗的關鍵之一。
瑞薩電子表示，Gen IV Plus 還帶來了 20% 的電阻乘以輸出電容 （Qoss） 的改進——Parikh 稱之為主要的“輸出品質因數(shù)”。
據(jù)該公司稱，通過以較低的柵極電荷、較低的輸出電容和較低的動態(tài)電阻來最大限度地減少功率損耗，并在實際條件下最大限度地提高穩(wěn)健性，Gen IV Plus 不僅可以與電力電子領域的硅競爭，還可以與 SiC 競爭。
雖然 GaN 在較高頻率下占主導地位，但人們普遍認為 SiC 在更適中的開關速度下優(yōu)于 GaN。但 Parikh 解釋說，GaN 的材料特性，包括其更高的電子遷移率和跨導性，有可能使其在整個頻率范圍內處于領先地位?！坝捎陔娏ο到y(tǒng)需要變得緊湊，因此需要更高的頻率，因此每個人都在關注超過 500 kHz 的頻率，而 GaN 本身能夠在 1 MHz 范圍內達到更高的頻率?！?/p>
為了支持這一說法，瑞薩電子表示，它在 100 kW 服務器電源單元中以 3.6 kHz 左右的中等頻率測試了新型 GaN FET。與 SiC MOSFET 相比，GaN 器件的功率損耗降低了 10% 至 30%。SiC 正在成為 AC-DC 服務器電源中半橋升壓功率因數(shù)校正 （PFC） 級的標準，AC-DC 電源是數(shù)據(jù)中心電源架構的關鍵組成部分。Parikh 表示，GaN 在中等頻率下?lián)魯×?SiC，并且在較高的速率下差距會擴大。
“GaN 的損耗降低了 10% 到 30%，這在 4、5、6、10 千瓦的水平上非常顯著，”Parikh 說，“你只能想象，當你開始擴展到 1 兆瓦的數(shù)據(jù)中心機架功率時，減少 10% 到 30% 的損耗可以幫助實現(xiàn)什么。
生態(tài)系統(tǒng)：柵極驅動器、控制器和 GaN 保護
瑞薩電子表示，650V GaN FET 已經(jīng)投入生產(chǎn)，目標是 1.2 至 7.5 kW 的數(shù)據(jù)中心電源。這些器件正在部署在高效拓撲中，包括圖騰柱 PFC AC-DC 級和 LLC DC-DC 轉換器。展望未來，瑞薩電子正準備將其高壓氮化鎵技術推廣到數(shù)據(jù)中心和工業(yè)電源系統(tǒng)的 800 V 和 400 V 高壓直流 （HVDC） 架構中。
Gen IV Plus 產(chǎn)品還被其他大功率市場采用，例如可再生能源逆變器和高性能游戲 PC 電源，在這些市場中，熱量是主要的設計限制之一。
作為其在 GaN 領域更廣泛雄心的一部分，瑞薩電子正在開發(fā)所謂的“GaN 生態(tài)系統(tǒng)”，將把其 GaN 功率器件與柵極驅動器、控制器和保護電路緊密集成在同一封裝或 PCB 上。這種系統(tǒng)級策略旨在將氮化鎵從消費類快速充電器轉移到更高功率、對熱要求更高的環(huán)境，例如電動汽車中的車載充電器 （OBC） 和牽引逆變器。
Parikh 表示：“無論是用作獨立 FET，還是與瑞薩電子控制器或驅動器集成到完整的系統(tǒng)解決方案設計中，這些器件都將為設計具有更高功率密度、更小占地面積和更高效率的產(chǎn)品提供一條清晰的途徑，同時降低系統(tǒng)總成本。
瑞薩電子還將其氮化鎵開發(fā)擴展到低壓領域，使其能夠在 d 模式下覆蓋超過 600 V 的高電壓和在 e 模式下覆蓋低于 200 V 的電壓。氮化鎵在服務器電源和服務器中的 48 至 12V DC-DC 轉換器中的同步整流方面越來越受歡迎。該公司表示，通過提供這兩種類型的功率 FET，它可以填補當前和未來機架架構中的更多空白。
再往后，瑞薩電子計劃通過用于數(shù)據(jù)中心的 650V 雙向 GaN 功率 FET 擴展其產(chǎn)品組合。這些設備針對超大規(guī)模企業(yè) Google、Meta 和 Microsoft 提出的分解式電源架構。
“我們有豐富的氮化鎵器件路線圖，”Parikh 說。
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