GaN近年來非?；穑簧偃艘灿畜w驗(yàn)到了GaN 充電器充電器帶來的便利，充電更快了、設(shè)備更輕薄了。如今越來越多的領(lǐng)域需要半導(dǎo)體能夠耐高溫、擁有更強(qiáng)輻射、更大功率，越來越高的要求使得GaN成為新一代電子信息技術(shù)革命中的關(guān)鍵一環(huán)。
近日，德州儀器（TI）推出了首款帶集成驅(qū)動(dòng)器、內(nèi)部保護(hù)和有源電源管理的650V和600V GaN FET，分別面向汽車和工業(yè)應(yīng)用，與現(xiàn)有解決方案相比，可提供兩倍的功率密度和高達(dá)99％的效率，并將電源磁性器件的尺寸減少59％。
GaN讓電源管理更優(yōu)秀
針對(duì)實(shí)際應(yīng)用需求，TI總結(jié)了在電源管理上五個(gè)最具有挑戰(zhàn)的前沿領(lǐng)域：功率密度、低EMI、低靜態(tài)電流、低噪聲高精確度和隔離。
在汽車和工廠領(lǐng)域的應(yīng)用，亦或是在更智能、更小巧的消費(fèi)品中，電源管理無處不在。TI 的GaN所關(guān)注的是如何提供并在應(yīng)用中達(dá)到更高的功率密度。傳統(tǒng)解決方案通常要在低成本、高可靠性、小體積以及優(yōu)秀的系統(tǒng)性方面有所取舍。得益于GaN的優(yōu)質(zhì)特性，TI GaN可以同時(shí)滿足所有這些優(yōu)秀的表現(xiàn)。
德州儀器高壓電源應(yīng)用產(chǎn)品業(yè)務(wù)部氮化鎵功率器件產(chǎn)品線經(jīng)理Steve Tom先生介紹道：“TI對(duì)GaN采取的是硅基氮化鎵，將驅(qū)動(dòng)集成在了硅基層上，這使得我們可以提供更可靠、更具成本優(yōu)勢(shì)、更加實(shí)用的GaN解決方案?！?/p>
為什么選擇硅基氮化鎵，而不是GaN-on-SiC（碳化硅基氮化鎵）？ “TI的硅基氮化鎵集成了驅(qū)動(dòng)，我們的驅(qū)動(dòng)是基于硅的，硅基氮化鎵使得我們可以更好地集成，同時(shí)成本更低?！?德州儀器高壓電源應(yīng)用產(chǎn)品業(yè)務(wù)部應(yīng)用工程師張奕馳先生解釋道。
Steve Tom補(bǔ)充道：“除了可以降低成本，選擇硅基氮化鎵，還可以進(jìn)行非常大規(guī)模和可靠的生產(chǎn)，因?yàn)門I對(duì)于硅可以進(jìn)行大規(guī)模的生產(chǎn)?！?/p>
而一些友商發(fā)布了600~650V的SiC，TI為什么選擇GaN？張奕馳表示， TI在硅基GaN的成本比SiC低很多，并且GaN對(duì)比SiC有更好的開關(guān)特性，以達(dá)到更高的效率。此外，開關(guān)速度可以更快，使得整體的設(shè)計(jì)開關(guān)速度更高，尺寸更小。
TI下一代集成GaN FET
TI GaN發(fā)展線路圖
TI從十年前就開始研發(fā)GaN，并與工業(yè)上伙伴緊密合作，同時(shí)也在氮化鎵上完成了超過4000萬小時(shí)的可靠性測(cè)試。
TI首個(gè)汽車等級(jí)的GaN展現(xiàn)了其在質(zhì)量、可靠性和成本上的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)?！暗靡嬗赥I GaN集成的一些優(yōu)勢(shì)，我們可以將功率密度增加到非常大，能夠提供大于150 V /ns和大于2.2 MHz的業(yè)界更快的切換速度。高壓擺率和高切換速度能夠更大限度地減少電路中的磁元件，通過集成可以將功率磁元件體積減少59%，以及減少十多個(gè)組件需求?！?Steve Tom介紹道。
集成的驅(qū)動(dòng)就像芯片的大腦一樣，可以提供一些額外的功能，如TI的智能死區(qū)自適應(yīng)功能，可以減少設(shè)備在死區(qū)的時(shí)間，從而將PFC中第三項(xiàng)象限損耗降低66%。
封裝技術(shù)同樣重要，TI采用的超冷卻封裝是極具創(chuàng)新性的12×12 QFN封裝，對(duì)比其他水平接近的友商，能夠減少23%的熱阻抗。
TI的GaN經(jīng)過了長(zhǎng)達(dá)4000萬小時(shí)的可靠性測(cè)試，可以被應(yīng)用在對(duì)可靠性要求非常高的汽車和工業(yè)領(lǐng)域。Steve Tom介紹，TI GaN有專門的可靠性實(shí)驗(yàn)室，針對(duì)硬開和軟開的情況都會(huì)進(jìn)行非常多的可靠性測(cè)試。在硬開的時(shí)候可以將功率等級(jí)在4000W以上，進(jìn)行一周7×24小時(shí)的測(cè)試，并且在測(cè)試的同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，來判斷以及分析GaN的可靠性。
同樣，在浪涌方面也進(jìn)行了很多測(cè)試。TI的設(shè)備可以承受高于720V的浪涌，在過壓的時(shí)候也可以非常順利地進(jìn)行開關(guān)。
650 V GaN FET為汽車減重
在電動(dòng)汽車方面，消費(fèi)者的需求是車輛充電更快、續(xù)航里程更遠(yuǎn)。而工程師則需要在不影響汽車性能的同時(shí)，設(shè)計(jì)出更緊湊、輕便的汽車系統(tǒng)。
LMG3525R030-Q1是650 V汽車GaN FET，具有集成驅(qū)動(dòng)器和保護(hù)功能。
對(duì)于轉(zhuǎn)換器來說，通過使用GaN可以提升汽車的充電速度及駕駛里程。此外，車載充電器可以得到更高的效率和更輕的重量。得益于高達(dá)2.2 MHz的切換頻率和集成驅(qū)動(dòng)所發(fā)揮的優(yōu)勢(shì)，與現(xiàn)有的硅基和SiC方案相比，該產(chǎn)品可以減小車載充電器50%的體積。此外，集成驅(qū)動(dòng)對(duì)比離散的解決方案，擁有更加高速的切換頻率以及更大的壓擺率。
TI預(yù)測(cè)這些優(yōu)勢(shì)可以為汽車帶來更快的充電時(shí)間、更高的可靠性以及更低的成本，這些可以在系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定性、可靠性方面為汽車解決方案提供很大的優(yōu)勢(shì)。
根據(jù)客戶的要求，TI還可以提供所需要的評(píng)估板和支持資料。
650 V 600 V GaN FET功率密度翻倍
LMG3425R030針對(duì)工業(yè)方面，在5G、電信、服務(wù)器等領(lǐng)域電源的AC/DC轉(zhuǎn)換中有非常廣泛的應(yīng)用。例如，充電樁應(yīng)用可以使用這款工業(yè)級(jí)產(chǎn)品。這款元器件的優(yōu)勢(shì)在于功率密度的加倍，并能實(shí)現(xiàn)99%的效率，在類似于圖騰柱PFC中可以廣泛的應(yīng)用。
在傳統(tǒng)應(yīng)用中，通常在高效率、功率密度以及低成本中必須要有所取舍。但是，GaN可以達(dá)到99%的效率，同時(shí)也可以在成本方面非常具有競(jìng)爭(zhēng)力。
集成化設(shè)計(jì)可以進(jìn)行熱監(jiān)測(cè)，在過溫時(shí)進(jìn)行保護(hù)，同樣在集成驅(qū)動(dòng)中也可以監(jiān)測(cè)電流；在過流或者短路時(shí)，TI GaN FET可以啟動(dòng)自我保護(hù)。
這款產(chǎn)品同樣推出了評(píng)估板，集成了兩個(gè)FET在一個(gè)半橋模式下，這款產(chǎn)品是從底部進(jìn)行冷卻，可獲取高達(dá)4000W的效率。同樣配置有插座式外部連接，可輕松與外部功率級(jí)連接，可以非常方便地設(shè)計(jì)在現(xiàn)有的產(chǎn)品中。
智能死區(qū)自適應(yīng)是TI集成的一個(gè)全新功能，通過智能死區(qū)自適應(yīng)，GaN可以根據(jù)負(fù)載電流自動(dòng)調(diào)節(jié)死區(qū)時(shí)間，負(fù)載電流越大，所需要的死區(qū)時(shí)間就越短，實(shí)現(xiàn)效率最大化。
針對(duì)工業(yè)和汽車領(lǐng)域的兩款產(chǎn)品有何不同？Steve Tom表示，第一，兩者所需要通過的標(biāo)準(zhǔn)不一樣；第二，工業(yè)領(lǐng)域采用600V GaN，汽車領(lǐng)域采用650V GaN，因?yàn)樵谄噾?yīng)用所需要的母線電壓會(huì)更高；第三，一個(gè)是頂部散熱，一個(gè)是底部散熱，汽車頂部散熱提供了更多可能性，可以讓客戶通過散熱板、水冷和其他散熱方式更高效地進(jìn)行散熱。
GaN在2016年推出后已被應(yīng)用在越來越多應(yīng)用里，如最近的5G基站應(yīng)用以及快充電源應(yīng)用等。GaN因其良好的開關(guān)特性以及非常高的壓擺率，日后可被應(yīng)用于精密測(cè)試儀器領(lǐng)域中。TI在硅方面有很大的生產(chǎn)優(yōu)勢(shì)，并且TI自己內(nèi)部控制所有的供應(yīng)鏈以及生產(chǎn)，據(jù)悉現(xiàn)有工廠正在往更大尺寸的晶圓方向發(fā)展，因此未來量產(chǎn)后TI可以進(jìn)一步將GaN的價(jià)格降到很低，擁有更大的價(jià)格優(yōu)勢(shì)。