GaN近年來非常火，不少人也有體驗到了GaN 充電器充電器帶來的便利，充電更快了、設備更輕薄了。如今越來越多的領域需要半導體能夠耐高溫、擁有更強輻射、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革命中的關鍵一環。
近日，德州儀器（TI）推出了首款帶集成驅動器、內部保護和有源電源管理的650V和600V GaN FET，分別面向汽車和工業應用，與現有解決方案相比，可提供兩倍的功率密度和高達99％的效率，并將電源磁性器件的尺寸減少59％。
GaN讓電源管理更優秀
針對實際應用需求，TI總結了在電源管理上五個最具有挑戰的前沿領域：功率密度、低EMI、低靜態電流、低噪聲高精確度和隔離。
在汽車和工廠領域的應用，亦或是在更智能、更小巧的消費品中，電源管理無處不在。TI 的GaN所關注的是如何提供并在應用中達到更高的功率密度。傳統解決方案通常要在低成本、高可靠性、小體積以及優秀的系統性方面有所取舍。得益于GaN的優質特性，TI GaN可以同時滿足所有這些優秀的表現。
德州儀器高壓電源應用產品業務部氮化鎵功率器件產品線經理Steve Tom先生介紹道：“TI對GaN采取的是硅基氮化鎵，將驅動集成在了硅基層上，這使得我們可以提供更可靠、更具成本優勢、更加實用的GaN解決方案。”
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動，我們的驅動是基于硅的，硅基氮化鎵使得我們可以更好地集成，同時成本更低。” 德州儀器高壓電源應用產品業務部應用工程師張奕馳先生解釋道。
Steve Tom補充道：“除了可以降低成本，選擇硅基氮化鎵，還可以進行非常大規模和可靠的生產，因為TI對于硅可以進行大規模的生產。”
而一些友商發布了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對比SiC有更好的開關特性，以達到更高的效率。此外，開關速度可以更快，使得整體的設計開關速度更高，尺寸更小。
TI下一代集成GaN FET
TI GaN發展線路圖
TI從十年前就開始研發GaN，并與工業上伙伴緊密合作，同時也在氮化鎵上完成了超過4000萬小時的可靠性測試。
TI首個汽車等級的GaN展現了其在質量、可靠性和成本上的獨特優勢。“得益于TI GaN集成的一些優勢，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%，以及減少十多個組件需求。” Steve Tom介紹道。
集成的驅動就像芯片的大腦一樣，可以提供一些額外的功能，如TI的智能死區自適應功能，可以減少設備在死區的時間，從而將PFC中第三項象限損耗降低66%。
封裝技術同樣重要，TI采用的超冷卻封裝是極具創新性的12×12 QFN封裝，對比其他水平接近的友商，能夠減少23%的熱阻抗。
TI的GaN經過了長達4000萬小時的可靠性測試，可以被應用在對可靠性要求非常高的汽車和工業領域。Steve Tom介紹，TI GaN有專門的可靠性實驗室，針對硬開和軟開的情況都會進行非常多的可靠性測試。在硬開的時候可以將功率等級在4000W以上，進行一周7×24小時的測試，并且在測試的同時進行數據采集，來判斷以及分析GaN的可靠性。
同樣，在浪涌方面也進行了很多測試。TI的設備可以承受高于720V的浪涌，在過壓的時候也可以非常順利地進行開關。
650 V GaN FET為汽車減重
在電動汽車方面，消費者的需求是車輛充電更快、續航里程更遠。而工程師則需要在不影響汽車性能的同時，設計出更緊湊、輕便的汽車系統。
LMG3525R030-Q1是650 V汽車GaN FET，具有集成驅動器和保護功能。
對于轉換器來說，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2.2 MHz的切換頻率和集成驅動所發揮的優勢，與現有的硅基和SiC方案相比，該產品可以減小車載充電器50%的體積。此外，集成驅動對比離散的解決方案，擁有更加高速的切換頻率以及更大的壓擺率。
TI預測這些優勢可以為汽車帶來更快的充電時間、更高的可靠性以及更低的成本，這些可以在系統長期穩定性、可靠性方面為汽車解決方案提供很大的優勢。
根據客戶的要求，TI還可以提供所需要的評估板和支持資料。
650 V 600 V GaN FET功率密度翻倍
LMG3425R030針對工業方面，在5G、電信、服務器等領域電源的AC/DC轉換中有非常廣泛的應用。例如，充電樁應用可以使用這款工業級產品。這款元器件的優勢在于功率密度的加倍，并能實現99%的效率，在類似于圖騰柱PFC中可以廣泛的應用。
在傳統應用中，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可以達到99%的效率，同時也可以在成本方面非常具有競爭力。
集成化設計可以進行熱監測，在過溫時進行保護，同樣在集成驅動中也可以監測電流；在過流或者短路時，TI GaN FET可以啟動自我保護。
這款產品同樣推出了評估板，集成了兩個FET在一個半橋模式下，這款產品是從底部進行冷卻，可獲取高達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連接，可以非常方便地設計在現有的產品中。
智能死區自適應是TI集成的一個全新功能，通過智能死區自適應，GaN可以根據負載電流自動調節死區時間，負載電流越大，所需要的死區時間就越短，實現效率最大化。
針對工業和汽車領域的兩款產品有何不同？Steve Tom表示，第一，兩者所需要通過的標準不一樣；第二，工業領域采用600V GaN，汽車領域采用650V GaN，因為在汽車應用所需要的母線電壓會更高；第三，一個是頂部散熱，一個是底部散熱，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行散熱。
GaN在2016年推出后已被應用在越來越多應用里，如最近的5G基站應用以及快充電源應用等。GaN因其良好的開關特性以及非常高的壓擺率，日后可被應用于精密測試儀器領域中。TI在硅方面有很大的生產優勢，并且TI自己內部控制所有的供應鏈以及生產，據悉現有工廠正在往更大尺寸的晶圓方向發展，因此未來量產后TI可以進一步將GaN的價格降到很低，擁有更大的價格優勢。