瑞萨电子通过下一代功率FET将GaN推向千瓦级

“瑞萨电子正在加倍投入氮化镓，”该公司氮化镓电源业务副总裁兼 Transphorm 的联合创始人 Primit Parikh 说，Transphorm 是一家功率半导体初创公司，该公司于 2024 年收购。他指出，瑞萨电子还暂停了碳化硅 （SiC） 器件和 IGBT 的开发，以专注于扩大其在数据中心等快速增长的市场的足迹，在这些市场中，氮化镓可实现更紧凑、更高效的功率转换。他补充说，“氮化镓最终将取代硅和碳化硅器件的许多应用。

另一个权衡源于 GaN 的一个称为“动态导通电阻”的特性，这意味着器件的导通电阻取决于器件在导通电流时的击穿电压。更高的额定电压（例如 650 V）意味着更高的导通电阻，这最终转化为更高的功率损耗。瑞萨电子表示，其 d 模式器件不像 e 模式那样受动态导通电阻的影响。

最重要的是，该公司表示，d-mode 架构可以处理更高的阈值电压（高达 4 V），这是目前 e 模式无法实现的。因此，据瑞萨电子称，客户可以避免使用负栅极驱动电压，而 e 模式器件经常需要负栅极驱动电压，以提高抗噪性。处理更高电压的能力还降低了电压过冲的风险，从而增强了其在处理千瓦功率时的可靠性。在e模式下工作的GaN功率FET的典型阈值为1.5至1.7 V。

瑞萨电子表示，SuperGaN 还因其灵活性而脱颖而出。在许多情况下，需要特殊的高性能栅极驱动器IC才能领先于e模式器件的更快开关频率。通过在器件前端使用硅 MOSFET，其 GaN 功率 FET 可与标准的现成栅极驱动器配合使用，并且栅极驱动电压可以根据客户的要求进行配置。广泛的兼容性有助于简化设计并简化 GaN 与高密度电源系统的集成。

最后一个优点是鲁棒性。虽然e模式器件可以处理6至8 V之间相对有限的栅极电压范围，但新的d模式器件的工作电压最高为±18 V。因此，SuperGaN 技术可以比大多数其他 GaN 功率器件承受更多的噪声。这有助于防止功率晶体管因器件栅极处的瞬态电压而意外导通，这通常是由噪声引起的。

瑞萨电子表示，通过降低栅极过应力风险，它可以在 TO-247 和 TO-220 等传统功率封装中提供 GaN 器件，而无需额外的保护，从而能够为现有的高功率设计进行直接升级。

数字：瑞萨电子的高压 GaN 功率 FET

瑞萨电子基于与其第四代平台相同的超级氮化镓技术，对芯片设计和工艺技术进行了广泛的改进，以突破氮化镓的性能界限。

氮化镓电源开关的主要特性之一是其通道中电子的高迁移率，通道在器件栅极下方运行，电流在源极和漏极之间流动。这使得它的开关频率比硅高得多，不仅可以实现更高效的功率转换，还可以减小系统中磁性元件和无源器件的尺寸，从而节省系统级成本。

瑞萨电子表示，基于比 Gen IV 技术小 14% 的芯片，Gen IV Plus 将导通电阻降低了相同百分比，达到 30 mΩ，从而减少了开关功率损耗和相关热量。

它还提高了功率 FET 的开关性能，包括导通电阻乘以栅极电荷 （Qg） 提高了 50%，Parikh 称之为主要的“输入品质因数”。Qg 是打开和关闭功率晶体管所需的总电荷，是确定器件在高频电源中功率损耗的关键之一。

瑞萨电子表示，Gen IV Plus 还带来了 20% 的电阻乘以输出电容 （Qoss） 的改进——Parikh 称之为主要的“输出品质因数”。

据该公司称，通过以较低的栅极电荷、较低的输出电容和较低的动态电阻来最大限度地减少功率损耗，并在实际条件下最大限度地提高稳健性，Gen IV Plus 不仅可以与电力电子领域的硅竞争，还可以与 SiC 竞争。

虽然 GaN 在较高频率下占主导地位，但人们普遍认为 SiC 在更适中的开关速度下优于 GaN。但 Parikh 解释说，GaN 的材料特性，包括其更高的电子迁移率和跨导性，有可能使其在整个频率范围内处于领先地位。“由于电力系统需要变得紧凑，因此需要更高的频率，因此每个人都在关注超过 500 kHz 的频率，而 GaN 本身能够在 1 MHz 范围内达到更高的频率。”

为了支持这一说法，瑞萨电子表示，它在 100 kW 服务器电源单元中以 3.6 kHz 左右的中等频率测试了新型 GaN FET。与 SiC MOSFET相比，GaN 器件的功率损耗降低了 10% 至 30%。SiC 正在成为 AC-DC 服务器电源中半桥升压功率因数校正 （PFC） 级的标准，AC-DC 电源是数据中心电源架构的关键组成部分。Parikh 表示，GaN 在中等频率下击败了 SiC，并且在较高的速率下差距会扩大。

“GaN 的损耗降低了 10% 到 30%，这在 4、5、6、10 千瓦的水平上非常显着，”Parikh 说，“你只能想象，当你开始扩展到 1 兆瓦的数据中心机架功率时，减少 10% 到 30% 的损耗可以帮助实现什么。

生态系统：栅极驱动器、控制器和 GaN 保护

瑞萨电子表示，650V GaN FET 已经投入生产，目标是 1.2 至 7.5 kW 的数据中心电源。这些器件正在部署在高效拓扑中，包括图腾柱 PFC AC-DC 级和 LLC DC-DC 转换器。展望未来，瑞萨电子正准备将其高压氮化镓技术推广到数据中心和工业电源系统的 800 V 和 400 V 高压直流 （HVDC） 架构中。

Gen IV Plus 产品还被其他大功率市场采用，例如可再生能源逆变器和高性能游戏 PC 电源，在这些市场中，热量是主要的设计限制之一。

作为其在 GaN 领域更广泛雄心的一部分，瑞萨电子正在开发所谓的“GaN 生态系统”，将把其 GaN 功率器件与栅极驱动器、控制器和保护电路紧密集成在同一封装或 PCB 上。这种系统级策略旨在将氮化镓从消费类快速充电器转移到更高功率、对热要求更高的环境，例如电动汽车中的车载充电器 （OBC） 和牵引逆变器。

Parikh 表示：“无论是用作独立 FET，还是与瑞萨电子控制器或驱动器集成到完整的系统解决方案设计中，这些器件都将为设计具有更高功率密度、更小占地面积和更高效率的产品提供一条清晰的途径，同时降低系统总成本。

瑞萨电子还将其氮化镓开发扩展到低压领域，使其能够在 d 模式下覆盖超过 600 V 的高电压和在 e 模式下覆盖低于 200 V 的电压。氮化镓在服务器电源和服务器中的 48 至 12V DC-DC 转换器中的同步整流方面越来越受欢迎。该公司表示，通过提供这两种类型的功率 FET，它可以填补当前和未来机架架构中的更多空白。

再往后，瑞萨电子计划通过用于数据中心的 650V 双向 GaN 功率 FET 扩展其产品组合。这些设备针对超大规模企业 Google、Meta 和 Microsoft 提出的分解式电源架构。

“我们有丰富的氮化镓器件路线图，”Parikh 说。