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氮化镓（GaN）作为一种先进的第三代半导体材料，以其优异的特性，在射频器件、光电器件、功率器件等领域展现出强大的竞争力和发展潜力。尤其在功率器件方面，近年来氮化镓已实现显著的商业化进展，其应用已经不再局限于PD快充等消费电子，而是向高功率市场持续推进。
D-mode GaN在高功率市场的优势
提到氮化镓功率器件，就不得不提到其主要的两种技术路线，按照栅极特性差异，氮化镓分为常开的耗尽型（D-mode）和常关的增强型（E-mode）两种类型。
由于常开的D-mode GaN本身无法直接使用，需要通过增加外围元器件的方式，将D-mode GaN从常开型变为常关型，主要包括级联（Cascode）和直驱（Direct Drive）两种技术。其中，级联型D-mode GaN更为主流，通过利用低压Si MOSFET的开关带动整体的开关，从而将常开型变为常关型，从而以一种纯原生、高性能的形式来利用氮化镓。
不同于级联型 D-mode GaN通过级联低压Si MOSFET来实现常关型，E-mode GaN直接对栅极进行p型掺杂来修改能带结构，改变栅极的导通阈值，从而实现常关型器件，但氮化镓的部分天然优势就会受到负面影响，如：
①基于p-GaN结构的栅极容易损坏。完全增强沟道需要施加6V的电压，而一旦电压达到7V，就会变得电应力过大，从而发生失效。
②阈值电压（Vth）不稳定，导致每个开关周期都会发生开关动态导通电阻变化（~30%）。
③从25°C-150°C的电阻温度系数（TCR）为2.6，相比常关型D-mode GaN要高，会导致额外的传导损耗。
④E-mode GaN的电子迁移率和跨导随温度升高而下降，从而降低其饱和电流能力。
此外，D-mode GaN常闭平台非常适合各种标准封装，例如通孔、表贴、多芯片模块等，这些封装本身具有高性能和高可靠性，增加了氮化镓平台本身的性能和可靠性。
值得一提的是，级联型D-mode GaN是通过利用低压Si MOSFET的开关带动整体的开关，尽管驱动电路和Si MOSFET相同，但由于级联架构的D-mode GaN的开关频率和速度远高于传统的Si MOSFET，所以要求驱动IC能够在很高的dv/dt环境下正常工作。
作为高压功率转换应用的氮化镓（GaN）产品开发领导者，Transphorm提供高性能高可靠的GaN场效应晶体管产品，并为不断增长的客户群提供易于使用的GaN场效应晶体管解决方案，拥有超过1000项专利。
Transphorm业务拓展及市场营销高级副总裁Philip Zuk接受与非网记者采访时表示：“级联型D-mode GaN要求驱动IC的共模瞬态抗扰度（CMTI）规格至少为100V/ns，目前大多数驱动器提供的CMTI数值都符合要求。其实高dv/dt环境中使用E-mode GaN时也有局限性，E-mode GaN器件需采用低栅极关断电阻。这样又会限制转换速率控制，因为需要确保通过栅漏电容的电流不会在高dv/dt事件中打开栅极。高功率市场的客户均想方设法降低成本、降低功耗、并提高器件的长期可靠性，以获得竞争优势。E-mode GaN受到基础物理因素的限制，性能下降，可靠性打折，因此主要为低功率应用。”
Transphorm业务拓展及市场营销高级副总裁Philip Zuk
“另外，与碳化硅不同，驱动氮化镓技术的优势在于无需高电流栅极驱动器。在大多数情况下，由于栅极电荷规格较低，因此500mA的驱动电流便足以驱动氮化镓。相较于碳化硅，栅极驱动器损耗可以降低4倍，这在进行零电压和零电流开关时非常重要。”Philip Zuk补充道。
从PD快充到高功率市场
目前氮化镓功率器件在消费电子快充市场得到了广泛应用，特别是在智能手机和笔记本电脑的充电器中，由于氮化镓器件能够在提高效率的同时减小体积，这使得快充设备更加便携和高效。随着长时间的市场培育，很多氮化镓厂商都开始陆续发布了自己的高功率产品，尤其是D-mode GaN类型，已经在光伏新能源、数据中心、电动汽车等应用上实现突破。
新能源领域
氮化镓技术在光伏领域的应用正逐渐成熟，通过提高逆变器的效率和可靠性，氮化镓器件有助于提升整个太阳能光伏系统的性能。
值得关注的是，DAH Solar（大恒能源）在其专为小型分布式光伏（工商业和户用）开发的标准化系统产品中，包括DC-DC 和 DC-AC端，采用了 Transphorm 的 150 mΩ 和 70 mΩ 的D-mode GaN，充分发挥出氮化镓材料的固有优势，最高功率输出1500 W，对应峰值效率为97.55%。
与目前常用的硅基解决方案相比，氮化镓器件能做到更高的开关频率和功率密度，有助于生产出更小、更轻、更可靠的太阳能电池板系统，同时还能以更低的能耗提供更高的总发电量。随着技术的不断进步和成本的降低，预计氮化镓将在光伏市场中发挥更加重要的作用，推动可再生能源的发展。
数据中心领域
随着文字生成视频模型Sora的推出，人工智能再一次成为人们关注的焦点。根据国际能源署的数据，全球数据中心用电约占全球用电量的1-1.5%，人工智能的繁荣可能推动这一数字大幅攀升。
过去，服务器电源的PFC和DCDC主级与次级侧只能选用基于硅技术的超结MOSFET、中低压MOSFET如OptiMOS，以及硅二极管。但是随着第三代半导体技术的成熟，碳化硅和氮化镓逐渐在服务器电源中开始取代硅器件。
根据服务器电源AC/DC的电压以及对开关频率和效率的要求，服务器电源的PFC也是氮化镓的重要应用领域。与硅MOSFET相比，氮化镓的栅极电容和输出电容更小，导通电阻较低，反向恢复电荷很小，因此开关损耗和导通损耗较低。另外，氮化镓可以实现高于硅MOSFET和碳化硅MOSFET的开关频率，可以采用较小的电感，实现紧凑的系统体积和更高的功率密度。
另外，在PFC和高压DC/DC中采用氮化镓作为开关器件，则AC/DC系统的体积可以大大缩小。
Philip Zuk表示：“氮化镓可以支持80Plus钛金级电源，提高用电效率和功率密度，同时降低冷却要求。Transphorm的氮化镓器件现已用于3kVA和2.2kVA数据中心不间断电源。考虑到目前的机架功率平均约为15-16kW，数据中心减半使用改造的1U 3kVA UPS便可满足目前的机架功率需求，未来还可以将功率扩展2倍至30-32kW。”
电动汽车领域
制造电动汽车的成本比燃油汽车高40%，电池是总成本中比较昂贵的部分，相关半导体器件也增加了电池系统的费用。因此，在不损及性能或可靠性的情况下，降低半导体成本能够带来极大的优势。正因为如此，电动汽车制造商在积极的调查研究氮化镓器件，希望将来用它来取代碳化硅。
氮化镓的关键优势包括制造方案成本低而良率高，并且在更高的工作频率下具备更高的性能。例如，车载充电器（OBC）的DC-DC功率级通常使用软开关拓扑结构，如CLLLC谐振双有源桥，采用氮化镓使得这种拓扑结构能够在更高的频率下工作，减小隔离变压器的尺寸并降低其成本，让电源变得更小、更轻、更具成本效益。氮化镓器件还有助于实现双向运行模式，提供电动汽车基础设施所需的高性能V2G（汽车到电网）解决方案。
目前已有相关厂商开发了650V 级联型D-mode GaN FETs，应用于OBC和高压DC-DC转换，不过氮化镓的汽车应用还处于早期阶段，预计到2025年左右，会小批量地渗透到低功率的OBC和DC-DC中。目前电动汽车领域的氮化镓器件的可靠性仍然处于调查研究阶段，Transphorm供应的氮化镓器件拥有超过3000亿小时的现场可靠性数据，FIT故障率也低于每10亿小时0.05个器件，在高功率氮化镓领域相对领先。
写在最后
值得指出的是，氮化镓技术在高功率的应用上也存在一些问题，如：高功率通常伴随着较高的热量产生，需要确保氮化镓器件能够有效地散热，防止过热导致的性能降低或器件损坏；许多高功率应用都采用硬开关，硬开关的可靠性必须能够得到保证；氮化镓器件在高频开关时可能会产生较高的电磁干扰，为了确保系统的稳定性和可靠性，需要采取措施减少EMI。
只有解决了这些问题，氮化镓才能拥有更广泛的应用领域，目前氮化镓的高功率市场应用还处于0-1的过程，未来还将持续增长，值得行业期待。
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