瑞萨电子发布新一代650V GaN FET：用独特D-MODE赋能高功率场景
发布日期：2025-07-09 18:11
随着人工智能、数据中心、汽车电子和消费电子等应用领域的快速发展，第三代半导体 ——GaN（氮化镓）正迎来前所未有的增长机遇。根据 TrendForce 集邦咨询的统计数据，2024 年全球 GaN 功率元件市场规模为 4.85 亿美元，预计到 2030 年将达到 43.76 亿美元，期间年复合增长率（CAGR）高达 49%。GaN 器件最初主要应用于消费电子等低功率领域，例如智能手机快充适配器、LED 照明驱动等。随着材料工艺和器件架构的创新，GaN 器件正突破功率限制，进入中高功率领域。近日，全球半导体解决方案供应商瑞萨电子宣布推出三款新型高压 650V GaN FET——TP65H030G4PRS、TP65H030G4PWS 和 TP65H030G4PQS，适用于人工智能（AI）数据中心和服务器电源（包括新型 800V 高压直流架构）、电动汽车充电、不间断电源电池备份设备、电池储能和太阳能逆变器等场景。Kenny Yim, Senior Director of GaN/Power at Renesas表示：“瑞萨电子 D-MODE 类型 GaN 器件一直面向高功率应用，采用瑞萨电子自主研发的、独有的 D-MODE GaN 专利技术。此次发布的四代半产品（也称第四代增强型，Gen IV Plus）专为多千瓦级应用设计，能够帮助客户进一步提升系统效率和功率密度。”从栅极技术路线来看，GaN 功率器件主要分为两大技术路线：增强型 E-Mode 和耗尽型 D-Mode。Mode 类型 GaN 器件是一种常关型器件，通过在栅极下方引入 p-GaN 层形成内置负偏压，实现 0V 关断和正压导通。在应用方面，由于 E-Mode GaN 的常关特性，其使用方式可参考传统的硅 MOSFET，但需精心设计外围电路或者使用专门的驱动 IC，以解决高 dv/dt 干扰等问题。Mode 类型 GaN 器件是一种常开型器件，基于 AlGaN/GaN 异质结的二维电子气（2DEG）自然形成导通通道，需通过负栅压关断。D-Mode 具有更高的电流密度和更低的导通电阻，这意味着在同样的功率输出下，采用 D-Mode 设计的功率半导体器件体积更小，效率更高。目前，在低功率应用中，E-Mode 类型 GaN 器件已经广泛普及，且器件成本已与传统的硅器件趋近，具有较高的性价比。不过，Kenny Yim 指出，在高功率应用上，E-Mode 类型 GaN 器件还存在一些突出的缺点。比如：E-MODE 的 vGs 门栅电压较低，一般只有 1V，最大值仅为 5 - 6V；E-MODE 存在动态电阻问题，在实际使用中其 Rds (on) 变化较快，在高功率场景里会影响可靠性和性能；E-MODE 无法使用 TO247、TO220 等常规的工业类封装，否则会引发误导通问题；另外，E-MODE 作为二极管使用时，反向导通的电压降较大，会产生较高的功耗。而 D-Mode 类型的 GaN 器件在高功率场景则不存在这些问题。Kenny Yim 强调：“在 D-Mode 类型的 GaN 器件中，最关键的技术 —— 用 MOS 管来控制 D-MODE GaN，是瑞萨电子独有的专利技术。预计在未来 20 年里，也只有瑞萨电子能够提供这样的专利技术。”据介绍，瑞萨电子在 D-Mode 类型 GaN 器件的研发上，覆盖了从外延片到封装的全流程，还能帮助客户完成理想的方案设计。Gen IV Plus 产品比上一代 Gen IV 平台的裸片小 14%，基于此实现了 30 毫欧（mΩ）的更低导通电阻（RDS (on)），较前代产品降低 14%，并且在导通电阻与输出电容乘积这一性能指标（FOM）上提升 20%。该产品拥有标准的产品验证，且已开始进行车规级验证，目前只有瑞萨电子能够生产车规级的 GaN 器件。基于 Gen IV Plus 平台，瑞萨电子推出了三款新型高压 650V GaN FET——TP65H030G4PRS、TP65H030G4PWS 和 TP65H030G4PQS，提供 TOLT、TO-247 和 TOLL 三种封装选项，使工程师能够灵活地针对特定电源架构定制热管理和电路板设计。Gen IV Plus 平台的三款新产品具备出色的产品特性。以 TP65H030G4PRS 为例，其是采用 TOLT 封装的 30mOhm、650V GaN 器件，采用符合 JEDEC 标准的 GaN 技术，并经过了低动态电阻 Dynamic RDS（on）eff 验证。该器件拥有零反向恢复电荷，能够减少分频损耗，在硬开关和软开关电路中实现更高的效率，从而提高功率密度、减小系统尺寸和重量、整体降低系统成本。因此，TP65H030G4PRS 能够为 AI 数据中心和电信电源、电动汽车充电、光伏逆变器、不间断电源（UPS）、电池储能装置（BESS）等应用提供出色的性能和性价比。Gen IV Plus 平台的三款新产品在封装技术上也颇具匠心，采用紧凑型 TOLT、TO-247 和 TOLL 封装，为 1kW 至 10kW 的电源系统提供了广泛的封装选择，既能满足热性能与布局优化的要求，还可并联组成更高功率的电源系统。新型表面贴装封装包括底部散热路径（TOLL）和顶部散热路径（TOLT），有助于降低外壳温度，方便在需要更高导通电流时进行器件并联。此外，常用的 TO-247 封装为客户带来更高的热容量，以实现更高的功率。Kenny Yim 表示，瑞萨电子也为 Gen IV Plus 平台新产品的使用提供全面的技术支持，提供涵盖高功率与低功率的全面 GaN FET 解决方案，这与其它许多仅在低功率段取得成功的厂商形成鲜明对比。丰富的产品组合使瑞萨电子能够满足更广泛的应用需求和客户群体。他以典型的服务器、数字储能、通信里的 AC-DC 电源为例，瑞萨电子的 GaN 器件可以帮助用户实现 AC 输入后的图腾柱 PFC；在 AC-DC 部分，无论是半桥、LLC 还是全桥，D-MODE 类型的 GaN 器件都具有显著的性能优势，能打造出高性能的 MOS 管；在同步整流方面，瑞萨电子后续也会推出低压的 GaN 器件，包括从 65V 到 150V 的 GaN 用于同步整流。截至目前，瑞萨电子已面向高、低功率应用出货超过 2,000 万颗 GaN 器件，累计现场运行时间超过 300 亿小时。
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