GaN 與 SiC 與 IGBT 比較

GaN 透過其更優異的單位晶粒面積電阻 (Rsp)、更低的輸入輸出電容（Ciss 與 Coss）以及零反向恢復電荷等特性，提升功率轉換系統的性能。這些特性對於降低傳導損耗與開關損耗至關重要，同時能提高開關頻率，進而縮小被動元件體積，使系統更輕巧緊湊。

研究人員正積極透過改進製造技術、Rsp 與封裝工藝，以最大化 GaN 的潛力。例如，如圖 表 1 所示，電晶體無引腳 (TOLL) 表面黏著封裝相較於雙十瓦封裝 (D2PAK) 或電晶體外殼 (TO)-247 等表面黏著封裝，具備更優異的熱性能與更低寄生參數。

TOLL 封裝簡介

作為無引腳封裝，TOLL 封裝的寄生電感極低，可實現更快的開關速度（降低開關損耗）、更高的壓擺率以及更低的電磁干擾。TOLL 封裝尺寸為 9.9mm x 11.68mm x 2.3mm，相較於 TO-247 封裝的 15.94mm x 20.95mm x 5.02mm 顯著縮小，能在電路板上節省 70% 的面積。經優化的 GaN 製程能實現具有極低漏源導通電阻 (RDS (on)) 的 GaN 場效電晶體 (FET)，適用於高功率應用場景。TOLL 封裝的緊湊尺寸有助於加速散熱，提升熱效率。

將 GaN FET 與驅動器整合可進一步提升效率與降低成本，有助縮小閘極電感迴路，並能在功率級中嵌入過流與過熱保護功能。透過整合設計能更充分發揮 TOLL 封裝的優勢，進一步降低寄生參數與系統成本。TI 的 LMG3650 等裝置，結合了整合優勢與熱效封裝技術，適用於熱性能為首要考量之高電壓電源轉換系統，尤其在主動散熱受限的場景中表現出色。

能源基礎設施應用中的 TOLL

太陽能微逆變器、串列逆變器與儲能系統，因其在商業與住宅場景中的需求，各自的電源轉換級均對效率、尺寸及成本具有高度敏感性。

在太陽能應用中，逆變器輸出通常需與交流電網連接，因此 FET 需具備最高 650V 的耐壓等級。此外，此類逆變器應盡可能緊湊，以便靈活應用於住宅或商業系統中。高壓 GaN FET 的絕對最大耐壓等級達 800V，並能提高開關頻率以縮小被動元件體積，從而同時滿足高電壓與小尺寸的系統需求。TOLL 封裝具備優異熱效能，適用於系統環境溫度高於室溫且散熱效率至關重要的太陽能應用場景。

LMG3650 的整合功率級具備過溫保護、過流保護及欠壓鎖定等保護功能，有助省去外部保護電路，降低設計複雜性與尺寸。其具備零電壓檢測與零交越檢測等進階功能，可優化死區時間並降低損耗，同時提供 5V 低壓差線性穩壓器輸出，以驅動任何輔助電路的電流源能力。這些特性有助於優化能源轉換系統的性能與成本。

基於 GaN 的 600W 單相循環變流器參考設計採用循環變流器拓撲，高壓側使用 LMG3650，低壓側使用 LMG2100。此參考設計彰顯了整合式 GaN 裝置的潛力，其功率密度達 640W/L，峰值效率為 96.1%，且開關頻率最高可達 600kHz。

以 TOLL 裝置進行設計

選擇合適的 GaN 裝置對降低開關與傳導損耗至關重要，能有效提升系統性能。選用低 RDS(on) 的裝置未必是提升效率的全方位解決方案，因為較大的 GaN 晶粒會增加輸出電容，進而推高開關損耗與成本。

在硬開關拓撲中，低 RDS(on) 與高 Coss 組合會導致開關損耗高於傳導損耗；而在軟開關拓撲中，低 RDS(on) 則能提升效率，並呈現極低的開關與傳導損耗。

設計人員的另一個考量重點是多源供應能力。TI 的整合式 TOLL GaN 裝置與分立式 TOLL GaN 裝置在封裝上相容，為客戶提供多源供應選擇。如圖 1 所示，透過維持相同原理圖與布局，僅需對元件進行微調，即可將 TI 的 TOLL 裝置與分立式元件部署於同一電路板上。

圖 1 TI 與分立式 TOLL GaN 封裝的電路圖

結論

隨著功率需求不斷增長，採用 GaN 裝置可提升電源轉換系統的性能、成本與尺寸效益。採用 TOLL 封裝的 GaN 裝置非常適合需要高效率、緊湊尺寸與熱效能，且符合產業標準封裝的太陽能應用。GaN 技術的快速發展有望徹底變革電力系統，透過其固有優勢推動高效、穩健且可靠解決方案的開發。

其他資源

• LMG3650 - 650V TOLL 封裝 GaN FET，整合驅動器與保護功能，提供 3 種 RDSon 選項：25 mΩ、35 mΩ、70 mΩ
• 查看「LMG3650R035 評估模組 EVM 使用手冊」
• 進一步了解我們的 GaN 技術

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