低压GaN器件，为什么还未被广泛应用

电子发烧友网报道（文/梁浩斌）从消费电子电源类产品开始，GaN拉开了巨大市场发展空间的序幕，并逐渐往数据中心、汽车OBC甚至主驱逆变器等领域渗透。主流应用的650V GaN HEMT在充电头、以及数据中心电源上已经开始被广泛应用。
 
而随着数据中心单机架的功率不断提高，数据中心的次级端，机架的配电系统设计电压从12V往48V升级。与此同时，数据中心配电系统的DC-DC中，低压的GaN器件，比如40V和100V规格的GaN在这些系统中越来越受到重视。
 
今年，OPPO在智能手机端也首次将低压GaN器件应用到手机内部，用于快速充电的电路中。按照OPPO的说法，一颗GaN开关管可以代替以往方案中使用的两颗硅基MOSFET，能够减少体积，并由于GaN器件阻抗相比硅器件更低，在热管理上也有更好的表现，降低充电路径上的热量消耗，降低充电温升，提升充电性能。
 
所以，低压GaN器件有没有机会取代更多硅基器件，比如在消费电子产品内的负载点POL转换器中替代更多低压的硅基器件？
 
如果从GaN器件的角度来看，目前市面上有多家厂商都推出了100V、40V甚至更低电压的GaN器件。比如英诺赛科、EPC、GaNSystems等，其中EPC甚至有15V的GaN产品供应。
 
EPC在2016年推出了一款型号为EPC2040的GaN功率晶体管，击穿电压为15V，在5V驱动电压下导通电阻为30mΩ，工作温度支持-40℃~150℃，可以应用于自动驾驶激光雷达等场景。
 
今年5月国内GaN器件龙头英诺赛科在IEEE功率半导体器件国际研讨会(ISPSD)上展示了其15V GaN HEMT的研究进展，据介绍，他们这款15V GaN HEMT在5 V V in / 1.5~4 V V out的转换比下，采用半桥配置的GaN HEMTs制作的降压转换器在10 MHz下的效率超过90%。当开关频率增加到30 MHz时，转换器仍然保持80%以上的效率。
 
然而现实可能没有想象中美好，英诺赛科在会议上还提到，尽管业界在低压GaN HEMT方面做出了巨大努力，电源开关通常已经低于40V，努力向消费电子产品的应用推进。但与硅器件相比，低压GaN HEMT在消费电子产品上的广泛应用还面临很大挑战。
 
在技术层面上，随着GaN器件的尺寸缩小，接触电阻和寄生电容的比例会大幅上升，阈值电压下降，导致导通错误的风险提高，关断状态泄露电流增加，以致于静态损耗和动态损耗不稳定。英诺赛科认为，这些问题都影响了GaN HEMT在小体积的消费电子产品上广泛应用的可能。
 
另一方面，有业内人士认为，在100V以下的低压领域，GaN相比硅有开关损耗和功率密度的优势，但目前低压的硅基器件已经做得足够好，成本上的巨大优势是GaN难以逼近的。除非是一些特殊的应用中，对开关频率要求较高，比如前面提到OPPO在手机快充电路中用一颗GaN开关管替代以往两颗硅基MOSFET的操作。
 
无论如何，业界对低压GaN器件的研究还在继续，不少研究团队都在这个方向努力，比如德国Fraunhofer IAF研究所的科学家在PCIM2021上发表过关于紧凑型低压GaN HEMT设计的论文。或许随着成本的持续降低，以及快充等需求的持续升级，低压GaN器件会有取代硅的一天。