Transphorm GaN技术引领氮化镓革命

长期以来，宽禁带行业一直围绕两种不同架构氮化镓晶体管争论高下——常闭耗尽型 （D-mode）和增强型（E-mode）氮化镓。在设计电路时，人们倾向于使用增强型（E-mode）晶体管，但其实无论从性能、可靠性、多样性、可制造性以及实际用途方面，常闭型（D-mode）都更优于前者。

D-mode GaN的优势

此前，GaN功率半导体产品的全球领先企业Transphorm发布了《Normally-off D-mode 氮化镓晶体管的根本优势》的最新白皮书。其中，介绍了normally-off D-mode GaN平台的几个关键优势，包括：

• 性能更高：优越的 TCR (~25%)，更低的动态与静态导通电阻比 (~25%)，从而降低损耗，获得更高的效率和更优越的品质因数 (FOM)。
• 高功率级应用更加容易：Transphorm D-mode 具有较高的饱和电流，而 E-mode 则必须通过并联才能提供相同的电流，但这会导致功率密度和可靠性下降。
• 稳健性且易驱动性：采用最稳健的硅MOSFET SiO2栅极，不受 E-mode 的 p 栅极限制，可兼容硅基驱动器和控制器。

Transphorm业务拓展及市场营销高级副总裁Philip Zuk

Transphorm在初入市场时，不断研究、探讨了两种不同的技术路线，最终决定采用常闭型D-mode。十多年来，Transphorm 凭借最可靠的GaN平台成功引领行业，设计和制造用于新世代电力系统的高性能、高可靠性650 V、900 V 和1200 V（ 尚处于开发阶段）氮化镓器件。目前，Transphorm器件的现场运行时间已超过 2000 亿小时，覆盖了从低功率到高功率系统最广泛的应用领域。

Transphorm业务拓展及市场营销高级副总裁Philip Zuk接受了中电网的采访，深入探讨了Transphorm氮化镓（GaN）产品的独特特点、技术优势及其在高性能领域的应用前景。他称：“Transphorm的常闭耗尽型D-mode技术凭借一个GaN核心平台就能够涵盖整个功率范围，没有任何限制，而其他技术则兼需增强型GaN和SiC MOSFET才能达到同样的效果。”

SuperGaN的优势

Transphorm的SuperGaN技术是其产品线中的一大亮点。SuperGaN技术是一种共源共栅（cascode）结构的常闭耗尽型（normally-off D-mode）氮化镓平台。该平台特点使得SuperGaN 具备了增强型（E-mode）氮化镓所不能比拟的优势，包括：

※ Transphorm积累了深厚的GaN专业知识和垂直整合使其能够快速开发出高性能、可靠并且强劲的产品。

※ SuperGaN可以保持GaN器件2DEG（即二维电子气，2DEG沟道的电子迁移率最高，可令开关性能达到当前任何其他化合物半导体技术都无法企及的水平。）的自然状态，充分利用2DEG的固有优势，将器件导通电阻降到最低。

※ 业界最丰富的封装类型：从传统的标准TO封装，直至降低封装电感、提高工作频率和印刷电路板制造效率的顶部和底部冷却式表贴封装。

※ 业界领先的可靠性：器件运行时间已超过3000亿小时，FIT故障率（每10亿小时发生的故障次数）只有不到0.05。

此外，SuperGaN还可以提供最高的灵活性：

※ 直接替代E-mode增强型GaN分立器件解决方案以及Si和SiC MOSFET；

※ 提供不同的栅极驱动阈值电压，能够匹配使用E-mode增强型分立器件、高压超结和SiC MOSFET的电路设计；

※ 作为一个垂直整合的企业，能够实现系统级封装（SIP）合作。

Philip Zuk称，任何其他供应商都无法提供上述优势，这也是Transphorm的SuperGaN技术能够取得成功的关键所在。

助力快充市场

如上所述， SuperGaN技术的优势使Transphorm 的高压氮化镓场效应晶体管产品组合能够满足当今广泛的市场应用。例如，在快充领域，尤其是智能手机和笔记本电脑的充电器中，GaN器件在提高效率的同时减小体积，使快充设备更快捷高效。Philip Zuk认为，快充行业需要1200V GaN器件，Transphorm是一个垂直整合的企业，自主拥有外延片生产工艺，我们的1200V平台采用的是蓝宝石基GaN， 650V SuperGaN平台采用的是硅基GaN。Transphorm将于今年下半年启动首款1200V器件的试样，帮助提升设计能力和成果，助力快充及800V电动汽车制造。

汽车领域的新选择

在应用更为广泛的新能源汽车领域，同为宽禁带半导体的SiC被广泛采用，未来GaN在该领域的应用会否更优于SiC呢？Philip Zuk认为，与SiC相比，GaN具有更高的性能，并且GaN器件的制造与硅基制程平台兼容，衬底材料更便宜，因此制造成本也更低。Transphorm的GaN技术650V以及即将在下半年推出的1200V平台可以不断改进性能和降低系统成本，而SiC却做不到。目前，Transphorm的GaN技术已应用于电动汽车的DC-DC以及车载充电器，并将在2030年进一步应用于车载逆变器驱动和三相快充站。

与竞争技术相比毫不逊色

Transphorm的SuperGaN技术可以与众多其他技术开展竞争，包括硅超结、IGBT和碳化硅MOSFET等。

在可驱动性、可设计性和稳健性方面最接近SuperGaN的技术，是已上市近25年的硅超结MOSFET。SuperGaN不断仿效这些市场应用成熟技术的特性，方便客户尽快适应并接受新的技术。

同时，SuperGaN还为设计者提供独一无二的“GaN优势”，即2DEG， 2DEG沟道的电子迁移率最高，可令开关性能达到当前任何其他化合物半导体技术都无法企及的水平。

高性能SuperGaN技术在良率和可靠性方面可与硅基技术媲美，并可将电源设计提升至一个全新的高度，基于其他技术望尘莫及的固有材料属性，实现性能和功率密度更高而成本更低的系统。

小结

全球功率半导体市场正在快速扩展，尤其是在能源效率和高性能需求驱动下，氮化镓技术的市场份额不断增加。随着全球各国推进碳中和目标，氮化镓技术在可再生能源、电动汽车、高效电源管理等领域的应用前景广阔。

凭借着全方位的产品平台，Transphorm的氮化镓器件已经成功应用于从数十瓦至7.5kW的设计及量产产品，应用领域涵盖计算、能源/工业以及消费类适配器/快充电源。同时，Transphorm还创造了氮化镓行业的众多“第一”，为整个氮化镓功率半导体行业树立新的标杆，帮助越来越多的客户认识氮化镓技术的优势，期待着Transphorm能为新一代电力系统带来更多的贡献。

附：《Normally-off D-mode 氮化镓晶体管的根本优势》白皮书

  https://transphormusa.cn/wp-content/uploads/2024/03/Normally-off-D-Mode-氮化镓晶体管的根本优势-Final.pdf