～解决了GaN器件的栅极耐压问题,并有助于基站和数据中心等领域的电源实现更低功耗和小型化～
全球知名半导体制造商ROHM(总部位于日本京都市)面向以工业设备和通信设备为首的各种电源电路,开发出针对150V耐压GaN HEMT*1(以下称“GaN器件”)的、高达8V的栅极耐压(栅极-源极间额定电压)*2技术。
近年来,在服务器系统等领域,由于IoT设备的需求日益增长,功率转换效率的提升和设备的小型化已经成为重要的社会课题之一,而这就要求功率元器件的进一步发展与进步。
ROHM一直在大力推动业内先进的SiC元器件和各种具有优势的硅元器件的开发与量产,以及在中等耐压范围具有出色的高频工作性能的GaN器件的开发。此次,ROHM就现有GaN器件长期存在的课题开发出可以提高栅极-源极间额定电压的技术,能够为各种应用提供更广泛的电源解决方案。
与硅器件相比,GaN器件具有更低的导通电阻值和更优异的高速开关性能,因而在基站和数据中心等领域作为有助于降低各种开关电源的功耗并实现小型化的器件被寄予厚望。然而,GaN器件的栅极-源极间额定电压较低,在开关工作期间可能会发生超过额定值的过冲电压,所以在产品可靠性方面一直存在很大的问题。
在这种背景下,ROHM利用自有的结构,成功地将栅极-源极间额定电压从常规的6V提高到了8V,这将有助于提高采用高效率的GaN器件的电源电路的设计裕度和可靠性。此外,还配合本技术开发出一种专用封装,采用这种封装不仅可以通过更低的寄生电感更好地发挥出器件的性能,还使产品更易于在电路板上安装并具有更出色散热性,从而可以使现有硅器件的替换和安装工序中的操作更轻松。
未来,ROHM将加快使用该技术的GaN器件开发速度,预计于2021年9月即可开始提供产品样品。
<开发中的GaN器件的特点>
ROHM即将推出的目前正在开发中的GaN器件具有以下特点:
1. 采用ROHM自有结构,将栅极-源极间额定电压提高至8V
普通的耐压200V以下的GaN器件的栅极驱动电压为5V,而其栅极-源极间额定电压为6V,其电压裕度非常小,只有1V。一旦超过器件的额定电压,就可能会发生劣化和损坏等可靠性方面的问题,这就需要对栅极驱动电压进行高精度的控制,因此,这已成为阻碍GaN器件普及的重大瓶颈问题。
针对这种课题,ROHM通过采用自有的结构,成功地将栅极-源极间的额定电压从常规的6V提高到了业内超高的8V。这使器件工作时的电压裕度达到普通产品的三倍,在开关工作过程中即使产生了超过6V的过冲电压,器件也不会劣化,从而有助于提高电源电路的可靠性。
2. 采用在电路板上易于安装且具有出色散热性的封装
该GaN器件所采用的封装形式,具有出色的散热性能且通用性非常好,在可靠性和可安装性方面已拥有可靠的实际应用记录,因此,将使现有硅器件的替换工作和安装工序中的操作更加容易。此外,通过采用铜片键合封装技术,使寄生电感值相比以往封装降低了55%,从而在设计可能会高频工作的电路时,可以更大程度地发挥出器件的性能。
3. 与硅器件相比,开关损耗降低了65%
该GaN器件不仅提高了栅极-源极间额定电压并采用了低电感封装,还能够更大程度地发挥出器件的性能,与硅器件相比,开关损耗可降低约65%。
<应用示例>
・数据中心和基站等的48V输入降压转换器电路
・基站功率放大器单元的升压转换器电路
・D类音频放大器
・LiDAR驱动电路、便携式设备的无线充电电路
<术语解说>
*1) GaN HEMT
GaN(氮化镓)是一种用于新一代功率元器件的化合物半导体材料。与普通的半导体材料硅相比,具有更优异的物理性能,目前利用其高频特性的应用已经开始增加。
HEMT是High Electron Mobility Transistor(高电子迁移率晶体管)的英文首字母缩写。
*2) 栅极-源极间额定电压(栅极耐压)
可以在栅极和源极之间施加的最大电压。
工作所需的电压称为“驱动电压”,当施加了高于特定阈值的电压时,GaN HEMT将处于被动工作状态。