【導讀】GaN功率元件與現(xiàn)有的Si相比可大幅削減電力損失，作為新一代功率半導體材料與SiC一樣備受關注。SiC功率元件不斷得到空調、音響設備、工業(yè)設備及鐵路車輛的逆變器等的采用，而GaN功率元件在應用方面卻一直落后于SiC。安川電機決定采用GaN功率元件。該公司計劃2014年內在光伏發(fā)電系統(tǒng)使用的功率調節(jié)器產(chǎn)品中配備該元件。
安川電機決定采用GaN功率元件的目的是降低電力轉換時的損失和實現(xiàn)裝置的小型化。例如，在輸出功率為4.5kW的家用功率調節(jié)器的逆變器電路等中采用該元件（圖1）時，與采用Si制IGBT的現(xiàn)有產(chǎn)品相比，電力損失削減了約一半（2kW輸出時）。體積減小45％，重量減輕約27％。
圖1：通過采用GaN功率元件實現(xiàn)小型、輕量、高效率
安川電機開發(fā)出了采用GaN功率元件的光伏發(fā)電系統(tǒng)用功率調節(jié)器（a）。利用該元件將體積減小了45％，重量減輕了約27％（b）。2.5kW輸出時實現(xiàn)了98.2％的高效率（c）。
可以削減體積的理由有三個
第一，GaN功率元件產(chǎn)生的電力損失較小。其中，“開關損失尤其小”（安川電機）。電力損失減小的話，電力轉換器的發(fā)熱量就會降低，因此即使縮小電力轉換器的體積、減小熱容量，溫度也不易上升。
第二，提高了開關頻率。開關頻率越高，越能縮小電抗器等外設的尺寸。此次的開發(fā)品開關頻率為50kHz。雖然安川電機沒有公布詳情，不過估計為現(xiàn)有產(chǎn)品的5倍左右。安川電機針對50kHz頻率與部件廠商共同新開發(fā)了電抗器。雖然是新開發(fā)品，但考慮到實用化，并未使用高成本部材。
第三，縮小了功率元件的柵極驅動電路。GaN功率元件的輸入容量較小，因此該驅動電路的電源部能夠小型化。
采用此次開發(fā)品的GaN功率元件是耐壓為600V的GaN功率晶體管。600V耐壓的要求可以利用SiC制MOSFET來滿足。SiC制MOSFET也像GaN功率晶體管一樣，可以降低功率調節(jié)器的電力損失并實現(xiàn)小型化。不過此次采用GaN是因為其在成本和性能方面更加優(yōu)異。
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價格比SiC低
成本方面，在耐壓為600V的產(chǎn)品中，GaN功率晶體管的價格有望低于SiC制MOSFET。原因是，GaN功率晶體管目前可以在廉價的6英寸口徑Si基板上制作。而且，為利用8英寸產(chǎn)品也已經(jīng)展開了研究開發(fā)。
而SiC制MOSFET目前不但制造價格高，還需要采用口徑只有4英寸的SiC基板。6英寸產(chǎn)品要到2015年前后才能穩(wěn)定供給。
克服缺點
在耐壓為600V的用途中，GaN功率晶體管的電性能要優(yōu)于SiC制MOSFET。例如，開關損失和輸入容量比較小。此外，解決了性能不如SiC的問題，這也很重要。首先，實現(xiàn)了600V耐壓的產(chǎn)品。而此前投產(chǎn)的產(chǎn)品，耐壓只有200V。
其次，可實現(xiàn)只在柵極加載電壓時導通的“常閉工作”。功率調節(jié)器等電力轉換器出于安全性的考慮，強烈要求常閉工作。
此次采用的GaN功率晶體管由美國Transphorm公司制造，為常開工作。不過，通過在該GaN功率晶體管上級聯(lián)（Cascode）Si制MOSFET，實現(xiàn)了常閉工作。兩個元件封裝在一個封裝中。由此，GaN功率晶體管也實現(xiàn)了可常閉工作的600V耐壓產(chǎn)品。
另外，還解決了GaN功率晶體管的“電流崩塌”課題。電流崩塌是指，以高電壓工作時，該元件的導通電阻突然增大，導致電流難以流過的現(xiàn)象。
推動GaN普及
隨著大型電力轉換器企業(yè)安川電機采用GaN功率晶體管，以及實現(xiàn)常閉工作的600V耐壓產(chǎn)品的亮相，利用該元件的趨勢今后將會加速。實際上，除Transphorm公司以外，提供600V耐壓GaN功率晶體管的其他企業(yè)也在不斷增加（圖2）。例如，富士通半導體宣布決定2013年下半年開始量產(chǎn)。美國EPC和美國International Rectifier（IR）也在致力于600V耐壓產(chǎn)品的開發(fā)。
圖2：耐壓為600V的產(chǎn)品接連亮相
安川電機采用了Transphorm公司的600V耐壓GaN功率元件。除了Transphorm外，還有很多其他企業(yè)致力于600V耐壓GaN功率晶體管的開發(fā)（a）。例如富士通半導體預定從2013年下半年開始量產(chǎn)（b）。
