從離散元件到IC和SiP，提供提高氮化鎵功率效率的策略羅姆氮化鎵(GaN)電源解決方案

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• 2025-02-27 ROHM的EcoGaN™導入村田製作所集團旗下Murata Power Solutions的AI伺服器電源
• 2025-02-13 ROHM 650V耐壓GaN HEMT新增小型、高散熱TOLL封裝
• 2024-05-17 Stories of Manufacturing #6 Developing next-generation GaN power semiconductor devices GaN paves the way to carbon neutrality
• 2024-02-27ROHM EcoGaN™產品被台達電子45W輸出AC適配器「Innergie C4 Duo」採用！
• 2023-10-19 ROHM推出可大幅發揮GaN元件性能的超高速閘極驅動器IC
• 2023-08-29 ROHM推出EcoGaN™ Power Stage IC「BM3G0xxMUV-LB」 助力減少伺服器和AC適配器等應用損耗並實現小型化！
• 2023-05-18 ROHM開始量產具業界頂級性能650V耐壓GaN HEMT

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什麼是氮化鎵？什麼是GaN HEMTs？

氮化鎵（GaN）是一種採用鎵和氮化合物的化合物半導體；它被認為是下一代功率元件極具潛力的材料。
氮化鎵技術因其高效率和對功率電子、光子學、LED技術、射頻基礎設施和電源IC等各種應用的變革性影響而聞名。氮化鎵半導體在諸如5G和6G電信、電動車和節能照明解決方案等各種技術應用中十分重要。
需要注意的是，碳化矽（SiC））同樣是一種基於矽和碳的化合物半導體。碳化矽可用作生長氮化鎵外延層的襯底，尤其適用於射頻和功率元件方面的應用。由於其優異的熱導率和在氮化鎵應用中的穩定性，碳化矽在開發高性能半導體元件（包括LED和功率電子元件）方面至關重要。可以對矽（Si）、碳化矽（SiC）和氮化鎵（GaN）的主要物理特性進行比較。由於氮化鎵具有比矽更寬的能隙和更高的熱導率，因此被稱為寬能隙半導體。寬能隙半導體具有高介電擊穿電場強度的特點，可以使用更薄的層實現與矽相同的耐壓。
高電子遷移率電晶體（HEMT）是「High Electron Mobility Transistor」的縮寫，它指的是一種場效應電晶體，其中在半導體異質結處誘導產生的高遷移率二維電子氣充當溝道。一般來說，HEMTs是在化合物半導體中製造的，除了氮化鎵，它們也會使用砷化鎵（GaAs）等其他材料。

> 電子小百科:什麼是GaN功率元件?

氮化鎵的定義和物理特性

氮化鎵（GaN）是一種二元III/V直接帶隙半導體材料，近年來因其獨特的特性而備受關注。氮化鎵具有3.4 eV的寬禁帶寬度，與傳統的矽MOSFET相比，能夠承受更高的電壓和溫度，這使其成為大功率電晶體的理想材料。
這種直接帶隙半導體還因其纖鋅礦晶體結構而具備高熱導率和機械穩定性。這些特性使氮化鎵器件能夠在高溫下高效運行並能抵抗機械應力，使其適用於功率電子領域中要求苛刻的應用場景，如高頻功率轉換和高效電源等。
這些物理特性的結合使氮化鎵能夠以緊湊的外形實現卓越的性能，從而推動各行業的創新發展。

電晶體功率元件的應用範圍

功率元件根據材料和元件的不同，具有不同的功率（VA）和工作頻率範圍。羅姆開始開發氮化鎵元件，將其作為對碳化矽和矽元件的補足。GaN HEMTs有望成為一種能在中壓範圍內實現極高頻率運行的元件。
氮化鎵技術比起傳統的矽半導體具有顯著優勢，包括更高的速度和更低的電阻，使得氮化鎵功率電晶體越來越常被應用於大功率和高頻元件中，適用於電子設備電源等應用場景。此外，IC在提高效率、縮小尺寸和降低功率轉換系統成本方面則有著至關重要的作用。

●High Power
●High voltage (>650V)
●High frequency (20 to 200kHz)

• EV inverter, HV DC/DC, OBC
• Server primary power supply
• Solar/wind power　
• Industrial power supply
• Railroad

SiC

●Middle power
●Middle voltage (100 to 650V)
●High frequency (More than 200kHz)

• Server power supply for data center
• Base station power supply
• Small AC adaptor(consumer)
• Automotive OBC, 48V DC/DC

GaN

將氮化鎵拓展至更高功率水準

實現更高功率密度

將氮化鎵拓展至更高功率水準對於實現功率電子系統中的更高功率密度至關重要。通過提高氮化鎵元件的功率處理能力，設計人員可以開發出更緊湊和高效的電力系統，以滿足電動車、可再生能源系統和資料中心等新興應用的需求。目前正在研發可在更高功率水準下運行的氮化鎵功率電晶體和氮化鎵功率積體電路（IC），進而有助於開發更高效、更緊湊的電力系統。氮化鎵技術創新（如氮化鎵功率電晶體和氮化鎵功率IC）的使用預計將在下一代功率電子系統的發展中發揮關鍵作用。
這些進步將推動高效、高頻功率轉換的未來發展，使氮化鎵成為現代功率電子領域的基石。

氮化鎵功率解決方案的優勢和挑戰

氮化鎵（GaN）相比傳統基於矽的功率電子產品具有諸多引人注目的優勢。其主要的優勢之一是能夠實現更高的功率密度，有助於開發體積更小、效率更高的電源轉換器和馬達驅動器。氮化鎵功率電晶體以其更快的開關速度、更低的導通電阻和更高的熱導率而聞名，使其成為高頻和大功率應用的理想選擇。特別是氮化鎵高電子遷移率電晶體（HEMTs）在實現上述優勢方面起著關鍵作用，因為它們能夠在比傳統矽基電晶體更高的溫度和電壓下運行。
這些特性使氮化鎵元件能夠在更高的溫度下運行，減少對大型散熱系統的需求，並提升整體系統的可靠性。此外，氮化鎵功率的高效率轉化意味著更低的能耗和更低的運營成本，這使其成為從消費性電子產品到工業電源和可再生能源系統等應用領域的首選。
GaN HEMTs的最大優勢在於其在高頻下的運行能力。它們可以在超過3MHz的頻率下工作，而不僅僅是幾百kHz。那麼，為什麼要朝著提高電源頻率的方向努力呢？這是因為電源供應中最大的元件是被動元件，即電容和電感（線圈）。透過提高頻率，這些元件可以實現小型化。然而，目前高頻運行面臨兩個挑戰。一個是需要在高達3MHz的高頻下運行的電源控制IC。另一個挑戰涉及電感和線圈等磁性元件。適合高頻運行的磁性元件尚未商業化，目前也沒有明確的解決方案。當前的電感和電容在高頻特性方面存在問題，在超過1MHz的頻率下不能理想地運行。因此，目前很難讓氮化鎵高電子遷移電晶體在MHz範圍內運行，僅勉強可用。換句話說，如果不解決這些挑戰，就無法充分發揮氮化鎵高電子遷移率電晶體的性能。然而，透過提高耐壓值，可以在無需大幅提高頻率的情況下發揮氮化鎵高電子遷移率電晶體的優勢。這就是為什麼在AC適配器中會採用650V耐壓產品並得到廣泛應用的原因。
為了充分利用氮化鎵高電子遷移率電晶體的優勢，有必要使用專用的柵極驅動IC來設計最適合高頻驅動的功率電路。這涉及選擇電路拓撲結構、優化變壓器（磁性元件）和實施雜訊和散熱應對措施。
當GaN HEMTs在高頻下驅動時，高速指令（信號）輸入到柵極電極時會發生振鈴現象。因此，當嘗試在MHz範圍內驅動用於諸如AC適配器和USB充電器等應用時，雜訊和熱設計將變得具有挑戰性。高頻運行還會遇到以下問題：安裝氮化鎵高電子遷移率電晶體的電路板的寄生電感會干擾其運行，使其無法正常工作。若按照與矽功率MOSFET相同的方式進行設計會導致各種問題。

柵源電壓(VGS)額定值較低問題的應對方法（GaN HEMT）

標準GaN HEMTs，額定電壓為200V或以下，因其結構設計，其柵源電壓（VGS）的額定值通常為6V，柵極驅動電壓為5V。這導致柵極驅動電壓裕量很窄，僅有1V。額定電壓是絕不能超過的關鍵閾值，一旦超過，就有可能引發運行問題、性能下降，最嚴重的情況會導致元件故障。因此，精確控制對於確保柵極驅動電壓保持在VGS額定值內十分重要。此條件也對氮化鎵高電子遷移率電晶體的廣泛應用構成了重大挑戰。

封裝處理難題的應對方法（GaN HEMT）

許多氮化鎵高電子遷移率電晶體使用如BGA（球柵陣列）等封裝，這對一般電路設計人員來說並不熟悉，使得安裝和檢測過程具有挑戰性。為了解決這些難題，建議採用具有高度通用性的封裝，如DFN5060。該封裝具有高可靠性和優異的板載性能，支援大電流，並具有優異的散熱性能。此外，與傳統封裝相比，銅夾片鍵合封裝技術有效地將寄生電感降低了55%，進而在高頻運行時能實現優異的開關特性。

應對雜訊對策和熱設計複雜性的解決方法（GaN SiP）

儘管氮化鎵高電子遷移率電晶體有望在減小尺寸和提高功率轉換效率方面發揮重要作用，但與矽MOSFET相比，其柵極處理的複雜性需要使用專用的柵極驅動器。為了解決此問題，將氮化鎵高電子遷移率電晶體和柵極驅動器集成在一個封裝中的系統級封裝（SiP)或者Power Stage IC，對於電力電路工程師來說會是一種便利的解決方案，能大幅簡化安裝過程。

羅姆現有氮化鎵產品系列（EcoGaN™）

羅姆即將推出的氮化鎵產品（Eco GaN™）

關於[可供樣品]和[樣品MM/YY]，您可以通過點擊下方的產品名稱下載試用版資料手冊。請注意，由於這些檔案仍在更新中，規格參數如有變更，恕不另行通知。當您點擊查看相關材料時，系統會提示您登入MyROHM。註冊MyROHM後，您將能夠查看和下載此資料。

即將推出的離散元件

【TOLL Package】

GNP2025TD-Z

GNP2050TD-Z

【TOLT Package】

GNP2025TF-Z

GNP2050TF-Z

Upcoming Drivers

【Single GDIC】

BD2312AGWL-LB

BD2311ANVX-LB

BD2311ANVX-C

【Single GDIC with LDO】

BD3GD**NVX-LB

【Half bridge Driver】

BD4HB00FV-LB

Upcoming Power Stages

【DFN Package】

BM3G204TCC-LBZ

BM3G205TCC-LBZ

BM3G207TCC-LBZ

BM3G212TCC-LBZ

【TOLL Package】

BM3G201TD-LBZ

BM3G202TD-LBZ

BM3G204TD-LBZ

BM3G205TD-LBZ

BM3G207TD-LBZ

BM3G212TD-LBZ

【TOLT Package】

BM3G201TF-LBZ

BM3G202TF-LBZ

【Half bridge】

BM4G005MUV-LB

Upcoming Power Stages

【QR Flyback】

BM3GQ1A2MUV-LBZ

BM3GQ1A3MUV-LBZ

【BCM PFC】

BM3GF01MUV-LBZ

BM3GF02MUV-LBZ

Upcoming Controller

【TP-PFC】

BM85060FV

【LLC】

BM85080FV-LB

【AHB】

BM1AH001FV-LB

助力應用性能提升的氮化鎵參考設計

什麼是EcoGaN™？

羅姆透過其EcoGaN™系列的氮化鎵元件陣容持續提升元件性能，有助於實現更大程度能源應用的節能和小型化。在開發羅姆產品的同時，羅姆還將透過戰略合作夥伴關係促進聯合開發，透過提高應用效率和緊湊性為解決社會課題作出貢獻。

• EcoGaN™是ROHM Co., Ltd.的商標或注冊商標。

使用氮化鎵的應用示例
~ 羅姆的氮化鎵電源解決方案推動多樣化應用 ~

相關資料

• * EcoGaN™是ROHM Co., Ltd.的商標或注冊商標。