世界对氮化镓功率器件的误解

电动汽车（EV）制造商对轻量化、经济且耐用的功率电子设备的渴望，为宽带隙半导体铺平了道路，进而推动了氮化镓（GaN）的发展。然而，当涉及到电动汽车逆变器时，GaN却是一个颇具争议的话题。一方面，它在功率效率方面具有优势；但另一方面，其高开关频率（高达10MHz）加剧了热量的产生，需要先进的冷却系统。后者还引入了电磁干扰和寄生电感问题。这些以及其它因素导致了在电动汽车牵引逆变器应用中采用GaN的犹豫不决。VisIC Technologies的首席执行官Tamara Baksht博士——GaN晶体管技术的先驱之一——在2025年车辆技术论坛的主题演讲中，试图揭穿围绕这种宽带隙半导体的一些误解。

误解：“GaN无法提供大电流”

对GaN在电流方面的歧视是多方面的。由于几个方面的原因，例如优先考虑高电压或频率应用、关注开关频率，甚至是反向导通特性，存在一种观点认为这种材料根本不适合大电流应用。尽管得益于这种宽带隙半导体，器件尺寸变得更加紧凑，但我们不能因为它们而妥协于性能的降低。

Baksht博士的第一个反驳来自于AVL雷根斯堡所做的台架测试的证据，VisIC的GaN-on-Silicon D3GaN组件在这些测试中表现相当出色，效率达到了99.6%。这一效率是在400V、10kHz、9kmin-1和55Nm的条件下实现的。最大电流为330A均方根值（RMS）。

图1：AVL雷根斯堡所做的台架测试结果（来源：VisIC Technologies）

“原因在于”，Baksht博士说：“并非所有GaN都是一样的。VisIC使用耗尽型（D-mode）GaN，而不是增强型（E-mode）GaN。与E-mode GaN在更高阈值电压下具有更低的漏极电流值不同，D-mode GaN在这两者之间没有这样的权衡。D3GaN技术在正常D-mode FETs具有负阈值电压的地方实现正的有效阈值电压。这使得即使在看似高电压的情况下也能实现更高的漏极电流。”

D3GaN器件不是级联的，但为了其功能，它们有硅器件级联。这使它们成为“常闭型”。其代价是~10%的RDSON（硅MOSFET的漏极电阻），同时保持高电流和低开关损耗。

关于这一论点的另一个方面是，与碳化硅（SiC）相比，GaN的热阻更高。Baksht博士展示了统计数据，其表明VisIC的GaN功率MOSFET（V22TC065S1X03–650V，22mΩ）的热阻低于其它SiC器件（NTBL023N065M35–650V，23mΩ和C3M0025065D–650V，25mΩ）。这是因为GaN在相同RDS(ON)下具有更大的面积，但这还不足以弥补成本差异。然而，在硅上生长的GaN比SiC更具成本效益。她提到：“设计合理的GaN功率器件可以提供与碳化硅相当的大电流。”

图2：各种器件的热阻（来源：VisIC Technologies）

另一个支持GaN电流的点是半桥电路，其包含两个并联的5毫欧姆VisIC D3GaN芯片，被证明在工作条件下具有高上升和下降速率。因此，Baksht博士认为，设计合理的GaN器件可以产生与SiC相当的电流。“GaN无法处理大电流？这是个误解。D3GaN证明了并非如此，”她说。

图3：MPM2 D3GaN 2 x Gen2芯片在台架测试中的性能（来源：VisIC Technologies）

误解：“GaN只适用于高频，对牵引逆变器没有优势”

第二个需要揭穿的误解是关于低频应用的。GaN的关键优势在于其超快的开关速度，这大大减少了开关损耗。但在低频下，每秒的开关次数减少，从而降低了开关损耗的累积影响。在这里，导通损耗占主导地位。通常认为，由于用GaN替换硅（Si）的相对效率增益较低，因此它不适合在导通损耗高于开关损耗的低频应用中使用。在GaN的优势和SiC的用例之间，我们找到了交集。

“氮化镓只适用于高频？”Baksht博士思考道，“又错了——它在低负载逆变器中表现出色。让我们深入研究逆变器的工作原理，以揭穿这个误解。所有逆变器都是为最大功率而设计的，其性能指标基于电机转矩和电机速度（分别大致与电流和电压成正比）。在汽车的正常使用中，我们有非常低的转矩，这意味着我们需要低电流。这种低电流因此能使用低频工作。”

Baksht博士指出，“当我们驾驶时，我们使用的是低转矩。这就是GaN发光的地方。”

然而，另一个问题出现了：栅极电压与GaN的开关损耗之间有什么关系？但在GaN中，开关损耗并不依赖于栅极电压，这与SiC不同。这与材料的物理结构中存在的气体量子阱有关。此外，GaN的总栅极电荷显著小于SiC，其栅极电容在栅极电压变化下相对稳定。这与SiC MOSFETs形成对比，后者的栅极电容随栅极电压增加而增加，直接影响开关能量损耗。

根据逆变器操作和效率，由于器件本身在低负载下工作，因此具有低电流。在这种情况下，开关损耗占主导地位。在这里，Baksht博士引导我们对GaN与SiC的功率损耗进行图形比较，其中GaN的导通损耗与SiC相当，而总体损耗则低得多。在部分负载下，损耗降低了2.5倍。WTLP结果和负载点也显示了这两种半导体材料在这一工作领域的相似性。

图4：基于GaN和SiC的器件的功率损耗（来源：VisIC Technologies）

然而，这个图表仍然不确定，因为逆变器从未使用过高达100A的电流。即便如此，我们可以从这个图表中得出结论，GaN在低频应用中可以像在高频应用中一样合适，前提是用例主要具有低负载，并且需要高效率。

误解：“GaN的鲁棒性低”

“GaN缺乏鲁棒性？只有当你使用E-mode时是这样。D-mode改变了游戏规则，”Baksht博士在揭穿这个误解时说道。随着未来几年对GaN器件的兴趣激增，越来越多的人开始自行研究这种材料的特性。对于未经训练的人来说，这些误解可能看起来是合理的。然而，实证证据却表明并非如此。

“碳化硅很好。氮化镓更好——如果做得正确的话，”她传达了这个观点。

鲁棒性是一种材料在较短时间内承受破坏性刺激的能力。其可靠性则是在更长时间内检查相同的属性。虽然鲁棒性测试可能只持续一个开关周期，但可靠性测试可能会持续数小时、数天、数周甚至数月。

图5：可靠性测试、鲁棒性测试、现场测试和资格测试的评估时间尺度与刺激应力之间的关系（来源：IEEExplore）

在这里，GaN的鲁棒性因其有限的栅极电压和最终故障而受到审视。为了更好地理解，首先需要了解牵引逆变器的一个关键事件：主动短路事件。在这里，逆变器控制失败，而电机继续旋转。因此，必须通过逆变器耗散能量，以防止电池损坏。在这里，E-mode GaN表现不佳，因此，人们得出了上述结论。然而，D-mode GaN与Si IGBT和SiC相比（优于前者，落后于后者）具有竞争力。

再次，如果我们看看E-mode和D-mode GaN MOSFETs的基本结构，这种行为可以很容易地解释。D-mode GaN晶体管是通过在器件结构中蚀刻沟槽来创建栅极区域的工艺制造的，而E-mode GaN晶体管是通过在器件结构顶部沉积一层金属来创建栅极区域的工艺制造的。

“D-mode GaN在不牺牲鲁棒性或电流处理能力的情况下达到峰值效率。”因此，Baksht博士表示，只有E-mode GaN在硬开关应用中具有低鲁棒性。

误解：“反正SiC更便宜”

GaN on GaN，可以说是目前我们可用的最具功率效率的技术，有一个可预测的缺点：它的成本。如果它不是以制造成本高而闻名，它将很容易取代SiC。后者之所以能够坚持下来，是因为它具有经济性。然而，新的进展可能会导致这个巨头的倒台。遗憾的是，与GaN-on-GaN生产相比，SiC-on-Si生产要容易得多，也更方便。

Baksht博士提出了几个其他要点。首先是关于GaN的当前成本。虽然比SiC更昂贵，但GaN的成本与IGBT相似。只有当我们增加GaN的外延生长量时，这个数字才会增加，她声称这增加了20%的成本。

由于GaN的制造成本较低，因此在许多应用中，与SiC相比，GaN具有更高的性价比。GaN利用常见的硅片，其成本比SiC衬底便宜约100倍，并且可以在现有的CMOS晶圆厂中使用8英寸晶圆进行可扩展生产，产量高。

GaN的高开关频率减少了无源元件的尺寸和冷却需求，实现了紧凑的设计和系统级的节省，同时其节能制造（比SiC少10-20倍）降低了可持续性成本。GaN的成本轨迹受益于消费和工业行业的规模经济，使其成为专注于高频和功率密度的应用中最具性价比的选择，尽管SiC仍然被用于高电压（>1200V）和高温应用。

此外，GaN的$/A值要低得多，平均为0.14美元/A，而SiC为0.18美元/A。尽管GaN D-MOSFETs的每安培价格可能会根据规格和封装而有很大差异，但总体趋势表明成本正在下降，增强了它们在半导体市场的可行性。直接引用Baksht博士的话，“GaN在每交付相同千瓦功率的制造成本上低了4倍。”

图6：按FET技术划分的相对成本预测（来源：德州仪器）

GaN技术正迅速成为SiC的具有成本效益的替代品，得到了广泛的行业研究和各行业日益增长的采用的支持。最近的分析，包括IEEE Xplore上的一项研究，强调了GaN的优越的电子迁移率和饱和速度。

Baksht博士还被引用说，“如果使用GaN而不是SiC，小型汽车将节省1亿美元。”作为对其性能进一步改进的回应。尽管Baksht博士目前正在进行揭穿误解的工作，但使用GaN仍然存在缺点，这些缺点在这次演讲中没有涉及。成本是不言而喻的，她（或其他人）所展示的预测并非一成不变。随着时代的变迁，潮流也会改变，这些潮流可能会像为GaN带来更经济的生产一样，为SiC带来更好的功能和效率。

另一个挫折可能是功率电子领域缺乏标准化。重复Baksht博士的这句话，“并非所有GaN都是一样的。”同样，也不是所有半导体都是一样的。

尽管其他制造挑战如晶体缺陷控制仍然存在，但GaN的低能耗生产能力和通过140kHz+开关频率减少无源元件尺寸的能力，使其成为优先考虑功率密度和可持续性的应用的首选。时间将有利于GaN的成本效益，我们希望看到它很快主导市场。

来源：New Material+New Power

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