GaN FET功率密度再翻倍！宽禁带半导体围绕汽车展开争夺

shuszhao

按照TI高压电源应用产品业务部氮化镓功率器件产品线经理Steve Tom的说法，新产品在性能、效率和尺寸方面的突破，源于GaN材料更好的开关特性、更快的开关频率、更低的损耗、以及TI在硅基氮化镓衬底上的加工能力，因此与碳化硅(SiC)等同类衬底材料相比，更具成本和供应链优势。
在他看来，功率密度、低EMI、低IQ、低噪声/高精度与隔离功能既是未来电源管理芯片发展的五大前沿趋势，也是衡量一家企业的产品性能是否继续享有领导地位的重要指标，5-10年内将不会出现任何改变。
具体而言，就是提高功率密度可以在降低系统成本的同时实现更多的系统功能；尽量减少对其他系统组件的干扰，简化工程师的设计和鉴定流程；延长电池寿命与储存时间、实现更多功能，延长系统使用寿命并降低系统成本；降低或转移噪声可简化电源链并提高精密模拟应用的可靠性；在高压和关键安全应用中实现更高工作电压和更大可靠性。

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“考虑到全球能源需求将持续增长，但生产动力的能力却受到了更多限制，因此必须改进半导体封装和拓扑结构，才能在成本、可靠性、占用空间和系统性能方面取得颠覆性优势。”以汽车行业为例，Steve Tom认为电气化正在改变汽车行业，消费者越来越需要充电更快、续航里程更远的车辆。因此，工程师亟需在不影响汽车性能的同时，设计出更紧凑、轻便的汽车系统；而在工业设计中，需要新器件在更低功耗和更小电路板空间占用的情况下，在AC/DC电力输送应用(例如超大规模的企业计算平台以及5G电信整流器)中实现更高的效率和功率密度。


对功率密度和效率永无止境的追求

众所周知，在开关过程中会产生功率、功耗甚至热的损失，由于氮化镓能实现更快的开关速度，所以能够减少相应损耗。最新的数据显示，GaN目前的开关速率达到了150V/ns，开关频率可以实现2MHz甚至10MHz以上，可以消除整流器在进行交直流转换时90%的能量损失，还可以使笔记本电源适配器体积缩小80%，因此在开关电源、电动汽车、光伏发电、UPS、数据中心、无线充电，芯片处理器等应用中具有良好前景。
TI早在2010年就开启了有关氮化镓的研究，目前为止，能够对150mΩ、70mΩ和50mΩGaN FETs产品进行组合式批量生产，并在2018年与西门子同步展示了业界首个10千瓦的云电网与GaN连接的产品。不久前通过自主研发的对流冷却900V、5000W双向AC/DC平台产品，功率密度比传统IGBT解决方案高300%，进一步扩展了GaN在汽车、并网存储和太阳能等领域的新应用。

                               
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新型GaN FET集成了快速开关驱动器以及内部保护和温度感应功能，使工程师能够在电源管理设计中减小电路板尺寸、降低功耗的同时实现高性能。再加上TI GaN技术的高功率密度，使工程师能够在通常的离散解决方案中减少10多个组件。此外，在半桥配置中应用时，每个带集成驱动器和保护功能的650V 30mΩ GaN FET均可支持高达4kW的功率转换。必要的功率级和栅极驱动高频电流环路安全封装在电路板上，最大程度地减小了寄生电感，降低电压过冲并提高性能。
下图是LMG3525R030-Q1 650V车用GaN FET的评估板。TI高压电源应用产品业务部应用工程师张奕驰介绍时称，该评估板使用了两块LMG3525 30mΩ GaN FET，在半桥中配置了所有必需的偏置电路和逻辑/功率电平转换功能，插座式外部连接可轻松与外部功率级连接。采用散热板时，可以转换高达5000瓦的功率，而如果使用冷却液，功率等级可提升至6000-7000瓦。

                               
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GaN具有快速开关的优势，可实现更小、更轻、更高效的电源系统。在过去，要获得快速的开关性能，就会有更高的功率损耗。为了避免这种不利后果，新型GaN FET采用了TI的智能死区自适应功能，以减少功率损耗。例如，在PFC中，智能死区自适应功能与分立式GaN和SiC金属氧化物硅FET(MOSFET)相比，可将第三象限损耗降低多达66%。智能死区自适应功能也消除了控制自适应死区时间的必要，从而降低了固件复杂性和开发时长。
所谓“智能死区自适应功能”，张奕驰解释说，PFC中有同步开关和主动开关，同步开关打开之前的死区时间根据负载电流大小来提供，负载电流越大，所需要的死区时间就越短。而智能死区自适应功能可以通过负载电流来调节死区的时间，从而使得效率得以最大化。
散热方面，Steve Tom说如果采用TI GaN FET的封装产品，其热阻抗比性能最接近的同类产品还要低23%，因此可使工程师使用更小的散热器，简化散热设计。此外，FET集成的数字温度报告功能还可实现有源电源管理，从而使工程师能在多变的负载和工作条件下优化系统的热性能。
目前TI.com.cn上已提供四种新型工业级600V GaN FET的预生产版本，采用12mm x 12mm方形扁平无引脚(QFN)封装。TI预计工业级器件LMG3425R030将于2021年第一季度实现批量生产。新型LMG3522R030-Q1和LMG3525R030-Q1 650V车用GaN FET的预生产版本和评估模块预计将于2021年第一季度在TI.com.cn上发售。

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