【导读】GaN功率元件与现有的Si相比可大幅削减电力损失，作为新一代功率半导体材料与SiC一样备受关注。SiC功率元件不断得到空调、音响设备、工业设备及铁路车辆的逆变器等的采用，而GaN功率元件在应用方面却一直落后于SiC。安川电机决定采用GaN功率元件。该公司计划2014年内在光伏发电系统使用的功率调节器产品中配备该元件。
安川电机决定采用GaN功率元件的目的是降低电力转换时的损失和实现装置的小型化。例如，在输出功率为4.5kW的家用功率调节器的逆变器电路等中采用该元件（图1）时，与采用Si制IGBT的现有产品相比，电力损失削减了约一半（2kW输出时）。体积减小45％，重量减轻约27％。
图1：通过采用GaN功率元件实现小型、轻量、高效率
安川电机开发出了采用GaN功率元件的光伏发电系统用功率调节器（a）。利用该元件将体积减小了45％，重量减轻了约27％（b）。2.5kW输出时实现了98.2％的高效率（c）。
可以削减体积的理由有三个
第一，GaN功率元件产生的电力损失较小。其中，“开关损失尤其小”（安川电机）。电力损失减小的话，电力转换器的发热量就会降低，因此即使缩小电力转换器的体积、减小热容量，温度也不易上升。
第二，提高了开关频率。开关频率越高，越能缩小电抗器等外设的尺寸。此次的开发品开关频率为50kHz。虽然安川电机没有公布详情，不过估计为现有产品的5倍左右。安川电机针对50kHz频率与部件厂商共同新开发了电抗器。虽然是新开发品，但考虑到实用化，并未使用高成本部材。
第三，缩小了功率元件的栅极驱动电路。GaN功率元件的输入容量较小，因此该驱动电路的电源部能够小型化。
采用此次开发品的GaN功率元件是耐压为600V的GaN功率晶体管。600V耐压的要求可以利用SiC制MOSFET来满足。SiC制MOSFET也像GaN功率晶体管一样，可以降低功率调节器的电力损失并实现小型化。不过此次采用GaN是因为其在成本和性能方面更加优异。
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价格比SiC低
成本方面，在耐压为600V的产品中，GaN功率晶体管的价格有望低于SiC制MOSFET。原因是，GaN功率晶体管目前可以在廉价的6英寸口径Si基板上制作。而且，为利用8英寸产品也已经展开了研究开发。
而SiC制MOSFET目前不但制造价格高，还需要采用口径只有4英寸的SiC基板。6英寸产品要到2015年前后才能稳定供给。
克服缺点
在耐压为600V的用途中，GaN功率晶体管的电性能要优于SiC制MOSFET。例如，开关损失和输入容量比较小。此外，解决了性能不如SiC的问题，这也很重要。首先，实现了600V耐压的产品。而此前投产的产品，耐压只有200V。
其次，可实现只在栅极加载电压时导通的“常闭工作”。功率调节器等电力转换器出于安全性的考虑，强烈要求常闭工作。
此次采用的GaN功率晶体管由美国Transphorm公司制造，为常开工作。不过，通过在该GaN功率晶体管上级联（Cascode）Si制MOSFET，实现了常闭工作。两个元件封装在一个封装中。由此，GaN功率晶体管也实现了可常闭工作的600V耐压产品。
另外，还解决了GaN功率晶体管的“电流崩塌”课题。电流崩塌是指，以高电压工作时，该元件的导通电阻突然增大，导致电流难以流过的现象。
推动GaN普及
随着大型电力转换器企业安川电机采用GaN功率晶体管，以及实现常闭工作的600V耐压产品的亮相，利用该元件的趋势今后将会加速。实际上，除Transphorm公司以外，提供600V耐压GaN功率晶体管的其他企业也在不断增加（图2）。例如，富士通半导体宣布决定2013年下半年开始量产。美国EPC和美国International Rectifier（IR）也在致力于600V耐压产品的开发。
图2：耐压为600V的产品接连亮相
安川电机采用了Transphorm公司的600V耐压GaN功率元件。除了Transphorm外，还有很多其他企业致力于600V耐压GaN功率晶体管的开发（a）。例如富士通半导体预定从2013年下半年开始量产（b）。
