Si / SiC / GaN 開關器件技術比較與優勢

技術概述

以下是氮化鎵 (GaN) 與其他技術開關的比較：

• 矽 (Si) 和超級結金氧半場效電晶體 (Superjunction MOSFETs)：成熟技術，適用於中等功率範圍 (10-20 kW)，切換頻率較低 (數百 kHz)。
• 絕緣閘雙極電晶體 (IGBT)：適用於高電壓和高功率應用 (數十 kW 至 MW 級)，切換頻率受限 (約 10-20 kHz)。
• 碳化矽 (SiC)：高功率應用 (數百 kW)，切換頻率高於 IGBT (約數百 kHz)。
• 氮化鎵 (GaN)：中等功率範圍 (數十 kW)，切換頻率可達 MHz 級，遠高於 Si 和 SiC。

氮化鎵 (GaN) 的優勢

• 閘極電荷 ($Q_g$) 更低：1 nQ，相較於矽元件的 4 nQ。
• 輸出電容 ($C_{oss}$) 更低：約 5 nQ，相較於矽元件的 25 nQ。
• 導通電阻 ($R_{DS(on)}$) 更低：每平方公分約 5 mohm，相較於矽元件的 10 mohm。
• 無反向恢復損耗：由於 GaN 無 PN 接面，因此無任何反向恢復損耗。

高切換頻率的優勢

• 降低功率損耗，提高效率。
• 縮小被動元件尺寸，降低成本。例如，1 kW 隔離式 DC-DC 設計中，從 100 kHz 的 Si 升級到 1 MHz 的 GaN 後，磁性元件的尺寸和成本大幅降低。