TI為何把首款GaN FET定位于汽車和工業應用

GaN（氮化鎵）作為新一代半導體材料，正有越來越廣泛的應用。近日，德州儀器（TI）宣布其首款帶集成驅動器、內部保護和有源電源管理的GaN FET，分別面向車用充電器和工業電源，可以實現2倍的功率密度和高達99%的效率。

TI如何看待GaN在汽車和工業方面的機會？此次GaN FET的突破性技術是什么？為此，電子產品世界記者線上采訪了TI高壓電源應用產品業務部GaN功率器件產品線經理Steve Tom。

TI高壓電源應用產品業務部 GaN功率器件產品線經理 Steve Tom

1   GaN在電源領域的機會

在電源管理領域，有5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。

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。

電源管理是非常重要的，從汽車和工廠到更智能、小巧的消費電子產品中，電源管理可謂無處不在。在傳統解決方案中，通常要在低成本、高可靠性、小體積以及優秀系統性方面有所取舍。得益于GaN的優質特性，TI的GaN可以同時滿足所有這些優秀的特性。因為TI采用的是硅基GaN，將驅動集成在了硅基層上。

這里有兩個關鍵點。第一，TI為什么選擇硅基氮化鎵？因為市場上也有GaN-on-SiC（碳化硅基氮化鎵）。Steve Tom解釋道，在早期研發時，TI就考慮到從長遠來看，因為如果使用的GaN是硅基，在成本方面要比SiC低很多。另外，在開關頻率方面，GaN可以比SiC開關頻率更快以及有更好的開關特征，包括更低的損耗。而且TI 在可靠性方面也進行了很多的測試。所以，在成本、可靠性、開關方面，硅基GaN有相應的優勢。

那么，一些友商發布了600~650V的SiC。TI為什么選擇GaN？因為 TI認為，硅基GaN在成本方面比SiC要減少很多，并且GaN對比SiC有更好的開關特性，以達到更高的效率。并且開關速度可以更快，可以使整體的設計開關速度更高，以及整體設計更小。

第二點，為何做成GaN FET?這是因為集成不僅使體積減小，還可以使芯片智能——可以根據所處的環境的電流和溫度等進行調整，這不僅使可靠性提高，還可使電源設計者省去很多設計所需要的步驟。“我們的產品與市場同類產品相比最大的優勢是集成了驅動和保護，使我們的是更智能的解決方案，而不僅僅是一個GaN FET。” Steve Tom稱。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，例如智能死區自適應功能，可減少設備在死區的時間，從而將PFC中第三象限損耗降低了66%。

其中，智能死區自適應是TI新提出的一個功能，類似于可以通過負載電流的不同調節死區時間的大小。眾所周知。在PFC中有一種是同步開關，一種主動開關，在同步開關打開之前的那一段死區時間是根據負載電流的大小來提供的。負載電流越大，所需要的死區時間就越短，智能死區自適應就可以通過負載電流來調節死區的時間，從而使得效率可以最大化。

圖 TI的10年GaN發展歷程

2 10年布局GaN

GaN對于TI來說具有戰略意義。TI早在10年前就開始研發，當時就意識到GaN的應用潛力：會在工業、電信、以及個人電子消費品、企業的電源中有廣闊的應用，因為這些領域需要非常高的功率密度，并且對可靠性的要求也非常高。TI在研發出的硅基GaN后就開始與工業伙伴緊密合作，例如，與西門子推出了首個10 kW連接云電網的轉換器。同時，在氮化鎵上完成了超過4000萬小時的可靠性測試。

那么，TI的GaN可靠性測試4000萬小時是怎樣實施的？實際上，在可靠性方面，TI有可靠性實驗室，會針對硬開和軟開的情況進行很多的可靠性測試。硬開時功率等級可達4000W以上，會進行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。在浪涌方面也進行了很多測試，使TI的GaN可以承受高于720V的浪涌，使得在過壓時也可順利地進行開關。TI通過可靠性測試，并且在誕生可靠性標準方面也進行了領導和引領作用。

另外，在制造方面，TI所有GaN的生產全部都屬于自有的，從來不外包設計。相關的工廠在達拉斯，現在的工廠正在往更大尺寸的晶圓方向發展，使將來GaN的成本也會更低。

再有，TI在電源/電源管理方面有豐富的產品，針對包括寬輸入電壓AC/DC轉換器、以及電池管理等一系列應用，都具有對應的解決方案。同樣，在工業設計方面也有非常完善的解決方案，從工廠自動化和電機驅動控制，以及其他一系列工業方面的設計。

最后，TI提供了非常完整的設計開發資源。

在工業領域，TI GaN已經有一些應用案例，包括圖騰柱PFC，以及電機驅動，還有高壓DC/DC的轉換器等應用。

圖 用于EV的車載充電器和DC/DC轉換器

3   GaN FET的設計亮點

如今，TI帶來了其首個汽車級的GaN：LMG3525R030-Q1，是650V GaN FET，具有集成驅動器和保護功能。與現有的Si或SiC解決方案相比，使用TI的新型車用GaN FET可將電動汽車（EV）車載充電器和DC/DC轉換器的尺寸減少多達50％，從而使工程師能夠延長電池續航，提高系統可靠性并降低設計成本。 

工業級產品是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電力輸送應用（例如超大規模的企業計算平臺以及5G電信整流器）中實現更高的效率和功率密度。

得益于TI GaN集成的優勢，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，通過集成可將功率磁元件體積減少59%，以及減少十多個組件。

那么，為何TI GaN的切換速度可以到150 V/ns？實際上，對比離散的GaN，集成驅動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的工業和汽車用GaN FET，二者有一些區別。首先兩者所要通過的標準是不同的。另外最大的兩點區別是：①工業是600V的GaN，汽車是650V的GaN。因為在汽車方面有一些應用所需要的母線電壓會更高。②汽車的是頂部散熱，工業的是底部散熱。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散熱板、水冷和其他散熱方式更高效的進行散熱。

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