第三代半导体材料——氮化镓(GaN)，作为时下新兴的半导体工艺技术，提供超越硅的多种优势。与硅器件相比，GaN在电源转换效率和功率密度上实现了性能的飞跃，广泛应用于功率因数校正(PFC)、软开关DC-DC等电源系统设计，以及电源适配器、光伏逆变器或太阳能逆变器、服务器及通信电源等终端领域。为了满足市场对GaN的需求，安森美半导体与Transphorm联合推出第一代Cascode GaN，共同推动GaN市场的发展。

　　GaN的优势

　　从表1可见，GaN具备出色的击穿能力、更高的电子密度及速度，和更高的工作温度。GaN提供高电子迁移率，这意味着开关过程的反向恢复时间可忽略不计，因而表现出低损耗并提供高开关频率，而低损耗加上宽带宽器件的高结温特性，可降低散热量，高开关频率可减少滤波器和无源器件如变压器、电容、电感等的使用，最终减小系统尺寸和重量，提升功率密度，有助于设计人员实现紧凑的高能效电源方案。同为宽带宽器件，GaN比SiC的成本更低，更易于商业化和具备广泛采用的潜力。

　　表1：半导体材料关键特性一览

　　安森美半导体与Transphorm联合推出第一代Cascode GaN

　　GaN在电源应用已证明能提供优于硅基器件的重要性能优势。安森美半导体和功率转换专家Transphorm就此合作，共同开发及共同推广基于GaN的产品和电源系统方案，用于工业、计算机、通信、LED照明及网络领域的各种高压应用。去年，两家公司已联名推出600 V GaN 级联结构(Cascode)晶体管NTP8G202N和NTP8G206N，两款器件的导通电阻分别为290 m?和150 m?，门极电荷均为6.2 nC，输出电容分别为36 pF和56 pF，反向恢复电荷分别为0.029 µC和0.054 µC，采用优化的TO-220封装，易于根据客户现有的制板能力而集成。

　　基于同一导通电阻等级，第一代600 V硅基GaN(GaN-on-Si)器件已比高压硅MOSFET提供好4倍以上的门极电荷、更好的输出电荷、差不多的输出电容和好20倍以上的反向恢复电荷，并将有待继续改进，未来GaN的优势将会越来越明显。

　　表2：第一代600 V GaN-on-Si HEMT 与高压MOSFET比较

　　Cascode相当于由GaN HEMT和低压MOSFET组成：GaN HEMT可承受高电压，过电压能力达到750 V，并提供低导通电阻，而低压MOSFET提供低门极驱动和低反向恢复。HEMT是高电子迁移率晶体管的英文缩写，通过二维电子气在横向传导电流下进行传导。

　　图1：GaN内部架构及级联结构

　　使用600 V GaN Cascode的三大优势是：

　　1. 具有卓越的体二极管特性：级联建立在低压硅技术上，且反向恢复特别低;

　　2. 容易驱动：设计人员可使用像普通MOSFET一样的传统门极驱动器，采用电压驱动，且驱动由低压硅MOSFET的阈值电压和门极电荷决定;

　　3. 高可靠性：通过长期应用级测试，且符合JEDEC行业标准(通过标准为：0个击穿、最终的漏电流低于规格门限、导通阻抗低于规格门限)。

　　PFC能效测试曲线

　　在许多现有电路拓扑中，Cascode GaN比Si提供更高能效。如图2所示，在连续导电模式(CCM)升压PFC拓扑中，在200 KHz和120 Vac输入的条件下，Cascode GaN较超结合Si(SJ Si)提升近1%的效率，随着频率的升高，GaN的优势更为明显。

　　图2：CCM 升压PFC 在200 kHz 和120 Vac 输入

　　采用GaN还使得图腾柱(Totem Pole)电路成为可能，较传统CCM升压PFC提供更高能效。

　　图3：传统CCM升压FPC vs. 图腾柱电路

　　设计注意事项

　　采用GaN设计电源时，为降低系统EMI，需考虑几个关键因素：首先，对于Cascode结构的GaN，阈值非常稳定地设定在2 V，即5 V导通， 0 V关断，且提供± 18 V门极电压，因而无需特别的驱动器。其次，布板很重要，尽量以短距离、小回路为原则，以最大限度地减少元件空间，并分开驱动回路和电源回路，而且需使用解调电容。对于硬开关桥式电路，使用磁珠而不是门极电阻，不要用反向二极管，使用解调母线电容。

　　此外，必须使用浪涌保护器件，并通过适当的散热确保热性能，并行化可通过匹配门极驱动和电源回路阻抗完成，当以单个点连接时，要求电源和信号元件独立接地。

　　总结

　　GaN超越硅，可实现更快速开关、更紧凑的尺寸、更高功率密度及更高的电源转换能效，适用于开关电源和其它在能效及功率密度至关重要的应用。高能效的电源转换有利于软开关电路拓扑结构回收能量，如相移全桥、半桥或全桥LLC、同步升压等。随着更多工程师熟悉GaN器件的优势，基于GaN的产品需求将快速增长。得益于技术的发展和市场的成长，将有望降低采用GaN的成本。安森美半导体凭借宽广的知识产权阵容和专长，结合功率转换专家Transphorm无与伦比的GaN知识，正工作于新的发展前沿，致力推进市场对GaN的广泛采纳。

北京南电科技发展有限公司成立于2002年5月，位于有中国硅谷之称的北京中关村核心区知春路， 主要从事元器件的代理分销与制造，成立之初，公司就确立了以美国安森美(ON)二三极管及电源IC为主， 电容及其他元器件为辅的主要服务于电源行业的战略目标，随着规模的壮大和国内外客户需求的不断增加，公司在北京总部专门设立了二个元器件销售门市部，在深圳成立了分公司——南电森美电子有限公司，并获得了安森美(ON)和飞兆(FSC)、恩智浦(NXP)、IR、ST、IXYS、VISHAY等全球近百家世界级代理商及原厂强大的渠道和技术支持。