GaN HEMT和栅极驱动器合体后，比Si MOSFET强多少？

近年来，为了实现可持续发展的社会，对消费电子和工业设备的电源提出了更高的节能要求。针对这种需求，GaNHEMT作为一种非常有助于提高功率转换效率和实现器件小型化的器件被寄予厚望。

其中，GaN（氮化镓）是一种化合物半导体，和SiC（碳化硅）一样是第三代半导体材料代表，如今常被用于新一代高频功率元器件。与普通的半导体材料——Si（硅）相比，GaN的禁带宽度、击穿场强、电子饱和速度都高出三倍左右，具有更优异的物理性能。特别是在高频率工作、高速开关的状态下，比硅甚至碳化硅都有更好的表现。

HEMT则是HighElectronMobilityTransistor（高电子迁移率晶体管）的英文首字母缩写，与垂直结构的SiMOSFET相比，HEMT是水平地在顶部（可理解为栅极电压）通过控制导通宽度来控制器件开关。

这种构造加上GaN本身的特性，使GaNHEMT的开关速度更快，开关损耗也比SiMOSFET降低约65%。（如下图）

GaN优势明显，但栅极驱动器很难办？

功率器件的功率容量和工作频段优势，因材料和元件结构而异。

其中，SiMOSFET的应用范围是中等频率、中等功率；IGBT因为拖尾现象较严重，大多应用在低频高功率范围；SiC相比IGBT，可以应用在频率更高的范围中，通常应用在车载逆变器、车载DC-DC，甚至铁路、工业设备、太阳能、光伏中；所有器件中，GaN的频率是最高的，功率容量中等，目前最多应用在快充、小型AC适配器上，今后可能会扩展到车载OBC、数据中心服务器电源、分布式基站电源等领域。

然而，与SiMOSFET相比，GaNHEMT的栅极处理很难，必须与驱动栅极用的驱动器结合使用。在这种市场背景下，罗姆半导体（ROHM）结合所擅长的功率和模拟两种核心技术优势，开发出集GaNHEMT和栅极驱动器于一体的PowerStageIC“BM3G0xxMUV-LB”。该产品的问世使得被称为“下一代功率半导体”的GaN器件轻轻松松即可实现安装。

据罗姆半导体(上海)有限公司技术中心副总经理周劲介绍，罗姆的氮化镓系列产品主要分为两种耐压等级，其中650V耐压产品面向数据服务器等工业设备和AC适配器等消费电子设备的一次侧电源，在工业设备和消费电子等设备中，会通过变压器等对电源和输出单元进行隔离，以确保应用产品的安全性。

罗姆半导体(上海)有限公司技术中心副总经理周劲

这里给大家科普一下，在隔离部位的两侧，电源侧称为“一次侧（初级）”，输出侧称为“二次侧（次级）”，一次侧的电源部位称为“一次侧电源”。在一次侧电源中使用GaN器件，具体有何优势呢？

从下图氮化镓器件近年来的增长趋势可以看出，2020年是GaN商用化的时间起点，当时的主要应用是笔记本电脑适配器、手机快充等。随着5G和PD适配器的普及，市场需求不断增加，仅凭硅器件无法满足器件小型化和更低损耗的需求，老牌半导体公司开始发力在这些领域引入GaN功率器件，终端厂商也在电动/混动汽车方向考虑使用DC-DC。

随着电动汽车以及工业系统应用的增加，周劲预计，2025年之后GaNHEMT市场会迎来较大增长。

驱动电压、栅极耐压和EMI问题也解决了

需要栅极驱动器的问题虽然解决了，但GaN的使用通常还会面临两个问题，一是驱动电压（Vth）比较低，二是栅极耐压比较低。

周劲表示，GaN的驱动电压通常是1.5-1.8V左右，有噪音的时候会因误启动而处于导通状态，虽然不一定导致损坏，但是会导致损耗比较高。此外GaN器件通常标定5V驱动电压，4.5V以下可以导通但不彻底，到了6V以上则面临栅极损坏的风险。“最佳驱动电压（4.5-6V）范围窄，栅极处理起来很难。GaN器件又通常工作在很高频率，噪音和脉冲情况都比较复杂，所以很容易就坏，于是通常必须与专门的驱动电路或驱动器配合使用，外置元器件数量多。工作在200K或1兆赫兹以上，这种通路寄生参数影响就越来越明显。”

为了解决这些问题，罗姆PowerStageIC支持更宽的驱动电压范围（2.5V～30V），拥有支持一次侧电源各种控制器IC的性能，因此可以替换现有的SiMOSFET。与需要散热片的SiMOSFET方案相比，外围电路更简单，仅需一个外置器件，器件体积可减少约99%，功率损耗可降低约55%。此外，普通GaN产品耐压值是6V，而罗姆产品可以做到8V。

为了解决令工程师头疼的高速电路EMI控制难题，罗姆还在这款芯片中加强了EMI控制，不影响速度的情况下优化驱动波形。相应的电源、温度保护等电路构成，可以让工程师简单地用GaN器件替代现有硅基方案，而不需要大幅调整驱动电压和担心噪声影响。

更低损耗和更小面积，还不止这些

据周劲介绍，该新品为VQFN一体化封装，面积8×8mm、厚度1mm的IC。“除了驱动电压范围宽可实现与当前DC-DC控制器相同水准，启动时间还能大幅缩短至15微秒。基于氮化镓本身高速特性，传输延迟低至11-15纳秒。”

目前罗姆PowerStageIC已于2023年6月开始量产（样品价格4,000日元/个，不含税），适用于内置一次侧电源（AC-DC或PFC电路）的各种应用，例如消费电子中的白色家电、AC适配器、电脑、电视、冰箱、空调；以及工业设备中的服务器、OA设备等。另外，新产品及对应的三款评估板（BM3G007MUV-EVK-002、BM3G007MUV-EVK-003、BM3G015MUV-EVK-003）已开始网售。

关于PowerStageIC的下一代产品，周劲透露准偕振AC-DC+GaN、功率因数改善+GaN的器件预计均在2024年一季度量产，半桥+GaN的器件预计在2024年第二季度量产。