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隨著人工智能、數(shù)據中心、汽車電子和消費電子等應用領域的快速發(fā)展，第三代半導體 ——GaN（氮化鎵）正迎來前所未有的增長機遇。根據 TrendForce 集邦咨詢的統(tǒng)計數(shù)據，2024 年全球 GaN 功率元件市場規(guī)模為 4.85 億美元，預計到 2030 年將達到 43.76 億美元，期間年復合增長率（CAGR）高達 49%。

GaN 器件最初主要應用于消費電子等低功率領域，例如智能手機快充適配器、LED 照明驅動等。隨著材料工藝和器件架構的創(chuàng)新，GaN 器件正突破功率限制，進入中高功率領域。近日，全球半導體解決方案供應商瑞薩電子宣布推出三款新型高壓 650V GaN FET——TP65H030G4PRS、TP65H030G4PWS 和 TP65H030G4PQS，適用于人工智能（AI）數(shù)據中心和服務器電源（包括新型 800V 高壓直流架構）、電動汽車充電、不間斷電源電池備份設備、電池儲能和太陽能逆變器等場景。

Kenny Yim, Senior Director of GaN/Power at Renesas表示：“瑞薩電子 D-MODE 類型 GaN 器件一直面向高功率應用，采用瑞薩電子自主研發(fā)的、獨有的 D-MODE GaN 專利技術。此次發(fā)布的四代半產品（也稱第四代增強型，Gen IV Plus）專為多千瓦級應用設計，能夠幫助客戶進一步提升系統(tǒng)效率和功率密度。”

D-MODE 和 E-MODE 之爭

從柵極技術路線來看，GaN 功率器件主要分為兩大技術路線：增強型 E-Mode 和耗盡型 D-Mode。

Mode 類型 GaN 器件是一種常關型器件，通過在柵極下方引入 p-GaN 層形成內置負偏壓，實現(xiàn) 0V 關斷和正壓導通。在應用方面，由于 E-Mode GaN 的常關特性，其使用方式可參考傳統(tǒng)的硅 MOSFET，但需精心設計外圍電路或者使用專門的驅動 IC，以解決高 dv/dt 干擾等問題。

Mode 類型 GaN 器件是一種常開型器件，基于 AlGaN/GaN 異質結的二維電子氣（2DEG）自然形成導通通道，需通過負柵壓關斷。D-Mode 具有更高的電流密度和更低的導通電阻，這意味著在同樣的功率輸出下，采用 D-Mode 設計的功率半導體器件體積更小，效率更高。

目前，在低功率應用中，E-Mode 類型 GaN 器件已經廣泛普及，且器件成本已與傳統(tǒng)的硅器件趨近，具有較高的性價比。不過，Kenny Yim 指出，在高功率應用上，E-Mode 類型 GaN 器件還存在一些突出的缺點。比如：E-MODE 的 vGs 門柵電壓較低，一般只有 1V，最大值僅為 5 - 6V；E-MODE 存在動態(tài)電阻問題，在實際使用中其 Rds (on) 變化較快，在高功率場景里會影響可靠性和性能；E-MODE 無法使用 TO247、TO220 等常規(guī)的工業(yè)類封裝，否則會引發(fā)誤導通問題；另外，E-MODE 作為二極管使用時，反向導通的電壓降較大，會產生較高的功耗。而 D-Mode 類型的 GaN 器件在高功率場景則不存在這些問題。

Kenny Yim 強調：“在 D-Mode 類型的 GaN 器件中，最關鍵的技術 —— 用 MOS 管來控制 D-MODE GaN，是瑞薩電子獨有的專利技術。預計在未來 20 年里，也只有瑞薩電子能夠提供這樣的專利技術。”

據介紹，瑞薩電子在 D-Mode 類型 GaN 器件的研發(fā)上，覆蓋了從外延片到封裝的全流程，還能幫助客戶完成理想的方案設計。Gen IV Plus 產品比上一代 Gen IV 平臺的裸片小 14%，基于此實現(xiàn)了 30 毫歐（mΩ）的更低導通電阻（RDS (on)），較前代產品降低 14%，并且在導通電阻與輸出電容乘積這一性能指標（FOM）上提升 20%。該產品擁有標準的產品驗證，且已開始進行車規(guī)級驗證，目前只有瑞薩電子能夠生產車規(guī)級的 GaN 器件。

全面優(yōu)化的新型 Gen IV Plus 產品

基于 Gen IV Plus 平臺，瑞薩電子推出了三款新型高壓 650V GaN FET——TP65H030G4PRS、TP65H030G4PWS 和 TP65H030G4PQS，提供 TOLT、TO-247 和 TOLL 三種封裝選項，使工程師能夠靈活地針對特定電源架構定制熱管理和電路板設計。

Gen IV Plus 平臺的三款新產品具備出色的產品特性。以 TP65H030G4PRS 為例，其是采用 TOLT 封裝的 30mOhm、650V GaN 器件，采用符合 JEDEC 標準的 GaN 技術，并經過了低動態(tài)電阻 Dynamic RDS（on）eff 驗證。該器件擁有零反向恢復電荷，能夠減少分頻損耗，在硬開關和軟開關電路中實現(xiàn)更高的效率，從而提高功率密度、減小系統(tǒng)尺寸和重量、整體降低系統(tǒng)成本。因此，TP65H030G4PRS 能夠為 AI 數(shù)據中心和電信電源、電動汽車充電、光伏逆變器、不間斷電源（UPS）、電池儲能裝置（BESS）等應用提供出色的性能和性價比。

Gen IV Plus 平臺的三款新產品在封裝技術上也頗具匠心，采用緊湊型 TOLT、TO-247 和 TOLL 封裝，為 1kW 至 10kW 的電源系統(tǒng)提供了廣泛的封裝選擇，既能滿足熱性能與布局優(yōu)化的要求，還可并聯(lián)組成更高功率的電源系統(tǒng)。新型表面貼裝封裝包括底部散熱路徑（TOLL）和頂部散熱路徑（TOLT），有助于降低外殼溫度，方便在需要更高導通電流時進行器件并聯(lián)。此外，常用的 TO-247 封裝為客戶帶來更高的熱容量，以實現(xiàn)更高的功率。

Kenny Yim 表示，瑞薩電子也為 Gen IV Plus 平臺新產品的使用提供全面的技術支持，提供涵蓋高功率與低功率的全面 GaN FET 解決方案，這與其它許多僅在低功率段取得成功的廠商形成鮮明對比。豐富的產品組合使瑞薩電子能夠滿足更廣泛的應用需求和客戶群體。他以典型的服務器、數(shù)字儲能、通信里的 AC-DC 電源為例，瑞薩電子的 GaN 器件可以幫助用戶實現(xiàn) AC 輸入后的圖騰柱 PFC；在 AC-DC 部分，無論是半橋、LLC 還是全橋，D-MODE 類型的 GaN 器件都具有顯著的性能優(yōu)勢，能打造出高性能的 MOS 管；在同步整流方面，瑞薩電子后續(xù)也會推出低壓的 GaN 器件，包括從 65V 到 150V 的 GaN 用于同步整流。

截至目前，瑞薩電子已面向高、低功率應用出貨超過 2,000 萬顆 GaN 器件，累計現(xiàn)場運行時間超過 300 億小時。

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