圖1：通過采用GaN功率元件實(shí)現(xiàn)小型、輕量、高效率

安川電機(jī)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(diào)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(shí)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(guān)損失尤其小”（安川電機(jī)）。電力損失減小的話，電力轉(zhuǎn)換器的發(fā)熱量就會降低，因此即使縮小電力轉(zhuǎn)換器的體積、減小熱容量，溫度也不易上升。

第二，提高了開關(guān)頻率。開關(guān)頻率越高，越能縮小電抗器等外設(shè)的尺寸。此次的開發(fā)品開關(guān)頻率為50kHz。雖然安川電機(jī)沒有公布詳情，不過估計(jì)為現(xiàn)有產(chǎn)品的5倍左右。安川電機(jī)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(shí)用化，并未使用高成本部材。

第三，縮小了功率元件的柵極驅(qū)動電路。GaN功率元件的輸入容量較小，因此該驅(qū)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(diào)節(jié)器的電力損失并實(shí)現(xiàn)小型化。不過此次采用GaN是因?yàn)槠湓诔杀竞托阅芊矫娓觾?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(diǎn)

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(guān)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(shí)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(shí)現(xiàn)只在柵極加載電壓時導(dǎo)通的“常閉工作”。功率調(diào)節(jié)器等電力轉(zhuǎn)換器出于安全性的考慮，強(qiáng)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(shí)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(shí)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(dǎo)通電阻突然增大，導(dǎo)致電流難以流過的現(xiàn)象。

推動GaN普及

隨著大型電力轉(zhuǎn)換器企業(yè)安川電機(jī)采用GaN功率晶體管，以及實(shí)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(shí)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(dǎo)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(jī)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(dǎo)體預(yù)定從2013年下半年開始量產(chǎn)（b）。