相对于硅（Si）和碳化硅（SiC），GaN有哪些优势
从广泛的工业和消费电子产品到快速发展的电动汽车行业，无数的应用市场都在推动着对高效电源转换解决方案的巨大需求。为了满足相关电力系统的高质量，高性能要求，并且继续实现电力转换技术的重大革新，目前产业界正在引入硅基氮化镓（gan-on-si，以下简称gan）方案。
相对于硅（si）和碳化硅（sic）而言，固有的gan性能优势包括：
gan具有优异的材料性能。
gan在所有功率转换中提供了更高的效率和最低的损耗。
gan可以在更高的频率下工作。
gan的相对成本优势：
gan比sic便宜。
gan的总体系统成本低于si。
gan的路线图已接近器件级别与si的价格均等的地位。
自2013年推出首批600 v gan功率器件以来，gan功率电子器件已以强劲的预计增长，越来越多地被市场接受。如今，最常用的gan晶体管的额定电压为600 v或650v。但是，这些设备每个设备只能输出2 kw至5 kw的功率。
transphorm的gan革命
在许多不同的市场和应用中，需要能够提供5 kw 以上功率电平的单个分立设备，例如数据中心机架式电源，可再生串式逆变器和电动汽车车载充电等。transphorm通过有效地缩放其高压d型gan hemt并将其与低压增强型si mosfet集成在to-247封装中以形成大功率级联开关，从而满足了这一需求。这种集成将transphorm的gan高性能与易于驱动的si mosfet结合在一起，在能够处理大功率应用的行业标准通孔封装中实现了两全其美。
最终的器件是额定电压为650 v的fet，具有4 v的高阈值，小于15mω的导通电阻以及类似于单芯片的封装。通过使用简单的栅极驱动器（就像transphorm的所有fet一样），gan器件与竞争对手的sic mosfet相比，具有更快的开关转换和更低的开关损耗。当在240 v：400 v半桥同步升压转换器中实现时，可实现12 kw输出功率，峰值效率大于99％。
设设计与性能
集成的gan hemt和si mosfet如图1所示。图1（b）所示为简单的单芯片式引线键合配置。当前可用的增强模式gan器件的栅极驱动裕度相对较差，因此仅限于使用表面贴装封装。这使得此类增强模式设备通常仅适用于2 kw以下的应用。这与共源共栅开关的耗尽型相反，后者允许将to-247通孔封装用于几倍高的散热能力。
图1（c）显示了transphorm的to-247封装中的最终gan器件，其中gsd引脚引出，金属焊盘是自然信号流的通用源，以促进良好的输入输出隔离。它具有+/- 20 v的可靠栅极电压额定值和+4 v的高阈值（vth）。它还具有高vth和低qg，从而使gan fet容易驱动，而没有竞争器件需要尖峰钳位或负vg。
图1. 2芯片常关级联gan fet（a）电路表示。（b）内部包装配置。（c）to-247中的成品器件，其gsd引脚分配和金属焊盘作为另一个s端子。
断态泄漏测量显示，在650 v额定电压以上具有较大的电压裕量，在25℃时为1200 v，在175℃时为1000 v的软击穿电压。此外，由于si mosfet体二极管和开放的gan hemt通道，gan fet在截止状态下具有出色的反向传导能力，在100℃额定电流60a时具有1.5v的低压降。
开关和转换器性能
为了评估最终的开关性能，构建了一个具有低端和高端设备的半桥同步升压转换器电路（如图2（a）所示的q1和q2）。240 v：400 v升压转换器在70 khz时进行了测试，性能与图2（b）所示的输出功率以及竞争的sic mosfet的输出功率有关，与sic mosfet相比，损耗降低了25％（11 kw）。图2（c）展示了损耗分析。
gan转换器优于sic转换器，可提供12 kw的输出功率，峰值效率远高于99％。如图2（c）的损耗分解所示，gan转换器的较低损耗归因于开关损耗的降低，这是由于gan相对于sic具有更好的电子传输能力，因此开关速度更快。考虑到系统中的所有其他损耗（包括电感器的显着esr），即使在12 kw时，gan器件的效率也估计接近99％。尽管gan器件的结壳热阻高于sic器件（分别为0.4oc / w和0.35oc / w），但在输出功率为12 kw时，q1 gan fet的结温估计为139oc ，而sic mosfet的功率仅在11 kw时为166oc，在12 kw时将超过175oc。这体现了gan所具有的电气性能的重要性。
图2.（a）桥式升压转换器电路的简化示意图。（b）使用gan fet和sic mosfet在70 khz下对240 v：400 v半桥转换器的效率性能比较。（c）11 kw时的传导，开关，无源和总功率损耗。
transphorm的gan平台不断发展。该公司的第五代supergan器件目前采用to-247封装，能够驱动10 kw以上的功率（取决于应用），具有一流的可靠性和匹配性能。
本文作者：
transphorm高级经理 carphor neufeld
transphorm工程部高级副总裁 wu yifeng
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transphorm的gan革命
在许多不同的市场和应用中，需要能够提供5 kw 以上功率电平的单个分立设备，例如数据中心机架式电源，可再生串式逆变器和电动汽车车载充电等。transphorm通过有效地缩放其高压d型gan hemt并将其与低压增强型si mosfet集成在to-247封装中以形成大功率级联开关，从而满足了这一需求。这种集成将transphorm的gan高性能与易于驱动的si mosfet结合在一起，在能够处理大功率应用的行业标准通孔封装中实现了两全其美。
最终的器件是额定电压为650 v的fet，具有4 v的高阈值，小于15mω的导通电阻以及类似于单芯片的封装。通过使用简单的栅极驱动器（就像transphorm的所有fet一样），gan器件与竞争对手的sic mosfet相比，具有更快的开关转换和更低的开关损耗。当在240 v：400 v半桥同步升压转换器中实现时，可实现12 kw输出功率，峰值效率大于99％。
设设计与性能
集成的gan hemt和si mosfet如图1所示。图1（b）所示为简单的单芯片式引线键合配置。当前可用的增强模式gan器件的栅极驱动裕度相对较差，因此仅限于使用表面贴装封装。这使得此类增强模式设备通常仅适用于2 kw以下的应用。这与共源共栅开关的耗尽型相反，后者允许将to-247通孔封装用于几倍高的散热能力。
图1（c）显示了transphorm的to-247封装中的最终gan器件，其中gsd引脚引出，金属焊盘是自然信号流的通用源，以促进良好的输入输出隔离。它具有+/- 20 v的可靠栅极电压额定值和+4 v的高阈值（vth）。它还具有高vth和低qg，从而使gan fet容易驱动，而没有竞争器件需要尖峰钳位或负vg。
图1. 2芯片常关级联gan fet（a）电路表示。（b）内部包装配置。（c）to-247中的成品器件，其gsd引脚分配和金属焊盘作为另一个s端子。
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开关和转换器性能
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图2.（a）桥式升压转换器电路的简化示意图。（b）使用gan fet和sic mosfet在70 khz下对240 v：400 v半桥转换器的效率性能比较。（c）11 kw时的传导，开关，无源和总功率损耗。
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本文作者：
transphorm高级经理 carphor neufeld
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