TI為何把首款GaN FET定位于汽車和工業(yè)應(yīng)用

GaN（氮化鎵）作為新一代半導(dǎo)體材料，正有越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。近日，德州儀器（TI）宣布其首款帶集成驅(qū)動(dòng)器、內(nèi)部保護(hù)和有源電源管理的GaN FET，分別面向車用充電器和工業(yè)電源，可以實(shí)現(xiàn)2倍的功率密度和高達(dá)99%的效率。

TI如何看待GaN在汽車和工業(yè)方面的機(jī)會(huì)？此次GaN FET的突破性技術(shù)是什么？為此，電子產(chǎn)品世界記者線上采訪了TI高壓電源應(yīng)用產(chǎn)品業(yè)務(wù)部GaN功率器件產(chǎn)品線經(jīng)理Steve Tom。

TI高壓電源應(yīng)用產(chǎn)品業(yè)務(wù)部 GaN功率器件產(chǎn)品線經(jīng)理 Steve Tom

1   GaN在電源領(lǐng)域的機(jī)會(huì)

在電源管理領(lǐng)域，有5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。

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。

電源管理是非常重要的，從汽車和工廠到更智能、小巧的消費(fèi)電子產(chǎn)品中，電源管理可謂無(wú)處不在。在傳統(tǒng)解決方案中，通常要在低成本、高可靠性、小體積以及優(yōu)秀系統(tǒng)性方面有所取舍。得益于GaN的優(yōu)質(zhì)特性，TI的GaN可以同時(shí)滿足所有這些優(yōu)秀的特性。因?yàn)門I采用的是硅基GaN，將驅(qū)動(dòng)集成在了硅基層上。

這里有兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。第一，TI為什么選擇硅基氮化鎵？因?yàn)槭袌?chǎng)上也有GaN-on-SiC（碳化硅基氮化鎵）。Steve Tom解釋道，在早期研發(fā)時(shí)，TI就考慮到從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，因?yàn)槿绻褂玫腉aN是硅基，在成本方面要比SiC低很多。另外，在開(kāi)關(guān)頻率方面，GaN可以比SiC開(kāi)關(guān)頻率更快以及有更好的開(kāi)關(guān)特征，包括更低的損耗。而且TI 在可靠性方面也進(jìn)行了很多的測(cè)試。所以，在成本、可靠性、開(kāi)關(guān)方面，硅基GaN有相應(yīng)的優(yōu)勢(shì)。

那么，一些友商發(fā)布了600~650V的SiC。TI為什么選擇GaN？因?yàn)?TI認(rèn)為，硅基GaN在成本方面比SiC要減少很多，并且GaN對(duì)比SiC有更好的開(kāi)關(guān)特性，以達(dá)到更高的效率。并且開(kāi)關(guān)速度可以更快，可以使整體的設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)速度更高，以及整體設(shè)計(jì)更小。

第二點(diǎn)，為何做成GaN FET?這是因?yàn)榧刹粌H使體積減小，還可以使芯片智能——可以根據(jù)所處的環(huán)境的電流和溫度等進(jìn)行調(diào)整，這不僅使可靠性提高，還可使電源設(shè)計(jì)者省去很多設(shè)計(jì)所需要的步驟。“我們的產(chǎn)品與市場(chǎng)同類產(chǎn)品相比最大的優(yōu)勢(shì)是集成了驅(qū)動(dòng)和保護(hù)，使我們的是更智能的解決方案，而不僅僅是一個(gè)GaN FET?！?Steve Tom稱。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，例如智能死區(qū)自適應(yīng)功能，可減少設(shè)備在死區(qū)的時(shí)間，從而將PFC中第三象限損耗降低了66%。

其中，智能死區(qū)自適應(yīng)是TI新提出的一個(gè)功能，類似于可以通過(guò)負(fù)載電流的不同調(diào)節(jié)死區(qū)時(shí)間的大小。眾所周知。在PFC中有一種是同步開(kāi)關(guān)，一種主動(dòng)開(kāi)關(guān)，在同步開(kāi)關(guān)打開(kāi)之前的那一段死區(qū)時(shí)間是根據(jù)負(fù)載電流的大小來(lái)提供的。負(fù)載電流越大，所需要的死區(qū)時(shí)間就越短，智能死區(qū)自適應(yīng)就可以通過(guò)負(fù)載電流來(lái)調(diào)節(jié)死區(qū)的時(shí)間，從而使得效率可以最大化。

圖 TI的10年GaN發(fā)展歷程

2 10年布局GaN

GaN對(duì)于TI來(lái)說(shuō)具有戰(zhàn)略意義。TI早在10年前就開(kāi)始研發(fā)，當(dāng)時(shí)就意識(shí)到GaN的應(yīng)用潛力：會(huì)在工業(yè)、電信、以及個(gè)人電子消費(fèi)品、企業(yè)的電源中有廣闊的應(yīng)用，因?yàn)檫@些領(lǐng)域需要非常高的功率密度，并且對(duì)可靠性的要求也非常高。TI在研發(fā)出的硅基GaN后就開(kāi)始與工業(yè)伙伴緊密合作，例如，與西門子推出了首個(gè)10 kW連接云電網(wǎng)的轉(zhuǎn)換器。同時(shí)，在氮化鎵上完成了超過(guò)4000萬(wàn)小時(shí)的可靠性測(cè)試。

那么，TI的GaN可靠性測(cè)試4000萬(wàn)小時(shí)是怎樣實(shí)施的？實(shí)際上，在可靠性方面，TI有可靠性實(shí)驗(yàn)室，會(huì)針對(duì)硬開(kāi)和軟開(kāi)的情況進(jìn)行很多的可靠性測(cè)試。硬開(kāi)時(shí)功率等級(jí)可達(dá)4000W以上，會(huì)進(jìn)行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(lái)判斷以及分析GaN的可靠性。在浪涌方面也進(jìn)行了很多測(cè)試，使TI的GaN可以承受高于720V的浪涌，使得在過(guò)壓時(shí)也可順利地進(jìn)行開(kāi)關(guān)。TI通過(guò)可靠性測(cè)試，并且在誕生可靠性標(biāo)準(zhǔn)方面也進(jìn)行了領(lǐng)導(dǎo)和引領(lǐng)作用。

另外，在制造方面，TI所有GaN的生產(chǎn)全部都屬于自有的，從來(lái)不外包設(shè)計(jì)。相關(guān)的工廠在達(dá)拉斯，現(xiàn)在的工廠正在往更大尺寸的晶圓方向發(fā)展，使將來(lái)GaN的成本也會(huì)更低。

再有，TI在電源/電源管理方面有豐富的產(chǎn)品，針對(duì)包括寬輸入電壓AC/DC轉(zhuǎn)換器、以及電池管理等一系列應(yīng)用，都具有對(duì)應(yīng)的解決方案。同樣，在工業(yè)設(shè)計(jì)方面也有非常完善的解決方案，從工廠自動(dòng)化和電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制，以及其他一系列工業(yè)方面的設(shè)計(jì)。

最后，TI提供了非常完整的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)資源。

在工業(yè)領(lǐng)域，TI GaN已經(jīng)有一些應(yīng)用案例，包括圖騰柱PFC，以及電機(jī)驅(qū)動(dòng)，還有高壓DC/DC的轉(zhuǎn)換器等應(yīng)用。

圖 用于EV的車載充電器和DC/DC轉(zhuǎn)換器

3   GaN FET的設(shè)計(jì)亮點(diǎn)

如今，TI帶來(lái)了其首個(gè)汽車級(jí)的GaN：LMG3525R030-Q1，是650V GaN FET，具有集成驅(qū)動(dòng)器和保護(hù)功能。與現(xiàn)有的Si或SiC解決方案相比，使用TI的新型車用GaN FET可將電動(dòng)汽車（EV）車載充電器和DC/DC轉(zhuǎn)換器的尺寸減少多達(dá)50％，從而使工程師能夠延長(zhǎng)電池續(xù)航，提高系統(tǒng)可靠性并降低設(shè)計(jì)成本。 

工業(yè)級(jí)產(chǎn)品是LMG3425EVM-043，是600V的GaN FET，可在更低功耗和更小電路板空間占用的情況下，在AC/DC電力輸送應(yīng)用（例如超大規(guī)模的企業(yè)計(jì)算平臺(tái)以及5G電信整流器）中實(shí)現(xiàn)更高的效率和功率密度。

得益于TI GaN集成的優(yōu)勢(shì)，可以將功率密度增加很大，能提供大于150V/ns和大于2.2 MHz的業(yè)界更快切換速度。高壓擺率和高切換速度能將電路中的磁元件減少得更小，通過(guò)集成可將功率磁元件體積減少59%，以及減少十多個(gè)組件。

那么，為何TI GaN的切換速度可以到150 V/ns？實(shí)際上，對(duì)比離散的GaN，集成驅(qū)動(dòng)使所有寄生電感變得更小，更小的寄生電感可以使得壓擺率變得非常高。

TI的工業(yè)和汽車用GaN FET，二者有一些區(qū)別。首先兩者所要通過(guò)的標(biāo)準(zhǔn)是不同的。另外最大的兩點(diǎn)區(qū)別是：①工業(yè)是600V的GaN，汽車是650V的GaN。因?yàn)樵谄嚪矫嬗幸恍?yīng)用所需要的母線電壓會(huì)更高。②汽車的是頂部散熱，工業(yè)的是底部散熱。汽車的頂部散熱提供了更多可能性，可以讓客戶的方案通過(guò)散熱板、水冷和其他散熱方式更高效的進(jìn)行散熱。

封裝也同樣重要，此次采用了12×12 mm² QFN封裝。相比競(jìng)品，該方案能減少23%的熱阻抗。