利用集成型GaN FET实现效率和功率密度更大化

宽禁带的第三代半导体材料成为今年半导体行业的主要关键词之一，究其历史，第一代以Si、Ge为代表、第二代以GaAs、InPIII-V族化合物为代表、第三代以GaN、SiC为代表。第三代半导体材料用其优异的材料物理特性，为电子器件性能功耗和尺寸提供了更多的发挥空间。

GaN和SiC作为“三代目”，主要的特性包括更宽的带隙、更高的临界击穿电压、更快的电子速度、更高的导热系数、更高的电子迁移率等。利用两个材料制作的器件则主要是GaN FET和SiC FET。

提到器件，GaN和SiC本身的特性与开关电源可以说是“天生一对”，能够实现更快的开关速度，正因为开关过程中会产生功率、功耗和热损失，因此更快的速度能够有效减少功率、功耗和过冲。

TI（德州仪器）作为电源管理IC界的翘楚，在今年7月就提到过自己的GaN的规划，当时TI表示TI早就在过去十年拥有了很好的GaN经验积累，不仅实现速度翻倍、功耗减半、拥有超过4000万可靠性小时的实验资料，还会在自己的工厂和供应链上生产，以保证支持客户的不间断业务。

11月10日，TI正式宣布推出面向面向汽车和工业应用的下一代650V和600V氮化镓（GaN）场效应晶体管（FET），与此同时并对TI的GaN FET技术进行了详细的剖析，21ic中国电子网记者受邀参加此次发布会。

瞄准汽车工业两大市场

本次发布会上有两款GaN相关产品发布，一款是针对汽车市场的650V GaN FET，另一款则是针对工业市场的600V GaN FET。需要注意的是，型号中带有Q1的为650V GaN FET产品，没有带有Q1的则是600V GaN FET产品。发布会现场，德州仪器高压电源应用产品业务部应用工程师张奕驰为记者介绍这两款产品的详细参数和性能。

01、650V汽车GaN FET：LMG3525R030-Q1

根据张奕驰的介绍，这款产品是基于预测汽车未来市场所推出的，利用GaN技术可为汽车带来更快的充电时间、更高的可靠性和更低的成本。

LMG3525R030-Q1是一款集成驱动和保护功能的650V汽车GaN FET，可以提高系统长期稳定性并缩短充电时间。

张奕驰表示，这款产品与现有的硅基和碳化硅方案相比可以减小车载充电器50%的体积，这主要得益于高达2.2-MHz的切换频率和集成驱动所发挥的优势。他强调，离散解决方案无法达到如此高速的切换频率和如此大的压摆率。

目前来说，这款产品可以按照要求提供所需的评估模块和资料，与这款产品配套的评估模块型号为LMG3525R030-Q1EVM。张奕驰表示，这块评估模块使用了两款LMG3525 30mΩ GaN FET并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。

值得一提的是，经过他本人测试之下，该评估模块在使用散热板的情况下可以转换高达5000W的功率，通过冷却液甚至可以达到6000-7000W的功率等级。另外，评估模块上测量点很多，方便测量压摆率或实现非常高的开关频率。加之插座式外部连接，可以轻松与外部功率级连接。

02、600V工业GaN FET：LMG3425R030

张奕驰表示，这款产品则在工业中拥有广泛的应用，诸如充电桩、5G、电信、服务器等。

LMG3425R030是一款功率密度加倍，且所需器件更少的600V工业级GaN FET。特别需要强调的是，该产品达到了99%的效率，在成本方面极具竞争力。传统应用中，在效率、功率密度、成本中必须有所取舍，而这款产品则无需这种抉择和担心。

简单来说，LMG3425030是TI最快的集成栅极驱动器，与硅基MOSFET相比功率密度翻倍；也是同类产品中功耗最低的产品，能够达到99%效率。另外，拥有集成化设计、高速保护和数字温度报告功能，不仅可以监测电流，对电源单元（PSU）进行有源电源管理和热监测，也可在过流或短路时，启动自我保护。

同样，这款产品也可以提供评估模块和资料，与之配套的评估模块型号为LMG3425EVM-043，张奕驰强调该款产品的新的应用手册将随之发布。

值得一提的是，这款新产品集成了全新的智能死区自适应功能，GaN可以根据负载电流自动调节死区时间，实现效率最大化。

为何偏偏是硅基GaN和600V/650V

第三代半导体材料拥有两款，从特性上来说，虽然SiC偏向大功率（650V-3.3kV），GaN偏向射频、通信、消费（80V-650V），但实际上两款产品也有一定交集，主要在600V/650V电压级别上，为什么TI偏偏选择GaN？

TI告诉记者，与市场上其他技术相比，功率为600V/650V的硅基GaN提供了更高的效率和更低的解决方案成本，这对于诸如AC/DC PSU之类的应用尤为重要。

GaN和SiC FET可以给汽车应用提供类似的电压和导通电阻额定值。GaN具有更加快速开关的优势，可提高效率和功率密度。此外，TI的GaN构建在硅基板上，可降低系统成本。TI致力于将重点放在宽带隙技术上。对于SiC，仍然会提供各类优化的分立式、隔离式栅极驱动器，以用于诸如汽车牵引逆变器之类的终端设备。

那么又为什么通过600V和650V区分工业和汽车市场？这是因为在汽车方面有一些应用所需要的母线电压会更高；另外一个非常重要的区别则在于650V汽车GaN FET为顶部散热，600V工业GaN FET为底部散热。所以，当汽车顶部散热就提供了更多可能性，可以让客户通过散热板、水冷和其他散热方式更高效的进行散热。

从衬底上来说，虽然GaN器件有采用SiC、Si和金刚石的几种。TI主要是从成本容量上考虑，采用一种低成本、高容量的Si基板，可让产品解决方案实现更大效率和功率密度。“TI在GaN上采取的是硅基氮化镓（GaN-on-Si），我们将驱动集成在了硅基层上，这使得TI可以提供更可靠、更具成本优势、更加实用的GaN解决方案。”德州仪器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在发布会上如是说。

在分立器件和模块器件中，TI选择了集成化更高的模块器件，这是因为TI专注于更大限度地提高器件对工程师的价值，尤其是使效率、功率密度和可靠性实现更大化，同时更大程度地降低解决方案成本。与分立方法相比，TI将先进的硅栅极驱动器与高性能GaN FET相集成的方法通过提供更快的压摆率和开关速度，使工程师能够实现效率和功率密度更大化。此外，驱动器集成通过更大程度地减小GaN FET栅极上的电压过应力来提高系统可靠性。具体可以实现以下功能：

● 先进的电源管理，包括集成的短路保护

● TI的智能死区自适应功能可在更佳时间开启FET

● 第三象限运行

● 数字温度报告可通过PWM信号向微控制器报告GaN FET裸片温度

从前沿趋势看TI的GaN FET

TI在今年提出了电源管理行业的几个前沿趋势（高功率密度、低EMI、低Iq、低噪声高精度、隔离），笔者认为在GaN FET上则直接体现了这几个目标。Steve Tom 告诉记者，TI在集成GaN FET主要拥有几种特性：

1、功率密度加倍：提供大于150V/ns和大于2.2MHz的业界更快切换速度。与离散解决方案相比，集成化可减少59%的功率磁性元件以及10多个组件需求。2、PFC中效率最高：TI的智能死区自适应功能最大程度地减少了停滞时间、固件复杂性和开发时间，同时将PFC中的第三象限损耗至多降低了66％。3、超冷却封装：与水平最接近的市场同类产品封装相比，可减少23％的热阻抗。底部和顶部冷却的封装可实现散热设计灵活性。4、可靠性和成本优势：凭借4,000多万小时的器件可靠性测试和超过5 Gwh的功率转换应用测试，可为工程师提供足以应对任何市场需求的可靠的使用寿命。

从功率密度上来讲，电源管理企业近年来主要“拼杀”的点便是这一关键参数。因为只有在功率密度保持减少的同时再减少空间占用和功耗的全方位发展之下对于客户来说才是真正有意义的。由此，应用产品的客户既可以享受更好的系统成本，也可在更小的体积下实现更多的系统功能。TI的GaN FET与分立方法相比，是将先进的硅栅极驱动器与高性能GaN FET相集成的方法通过提供更快的压摆率和开关速度，使工程师能够实现效率和功率密度更大化。此外，驱动器集成通过更大程度地减小GaN FET栅极上的电压过应力来提高系统可靠性。

从PFC（功率因数校正）来说，开关电源实际上是一种电容输入型电路，电流和电压间相位差会造成交换功率损失，因此便需要PFC电路提高功率因素。TI在GaN FET上特别提出了此项参数，其实PFC除了改善了功率因数，EMI也会随着减小。

从封装上来讲，因为TI在GaN FET上目前针对的对象包括了汽车，汽车对于散热和耐热上拥有更高的要求。正是因为在GaN FET的功率密度和体积上的优化，为获得良好的热管理设计，仍然需要将温度保持在系统要求之内。为解决这个问题，TI GaN器件应用创新的低电感封装，可帮助设计工程师更大程度地降低散热挑战。另外还提供两种封装以提高灵活性；一种封装的电源板位于器件底部，另一种封装的电源板位于器件顶部。

从可靠性和成本上来讲，首先一方面TI在GaN技术上本身拥有4000万小时的可靠性测试经验积累；另一方面，本身使用硅基氮化镓，相比碳化硅基氮化镓（GaN-on-SiC）本身优势明显，加之功率密度和效率提升，使得成本再次削减。

在新技术和新应用增加之下，市场拥有了在更小空间内获得更大功率的需求。特别是，EV/HEV车载充电器、用于企业计算的AC/DC电源单元、数据中心、电信整流器和5G都受益于GaN在这些高压电平下提供的更高效率和功率密度。TI认为，包括可再生能源双向转换器在内的电网基础设施应用将继续转向GaN，以获得相同收益。

远观5-10年发展，TI认为必须注重工程师所关心的功能，包括效率、功率密度、可靠性和解决方案成本。TI将继续致力于将硅驱动器与GaN FET相集成，以优化这些关键设计问题。

此前笔者曾强调，很多情况下电源的运作并非依赖单器件，而是从完整的解决方案出发。无论从功耗、成本、尺寸上来讲，还是系统的精简方面来讲，完整的解决方案远比单器件更加出色。

在此之上，TI也将提供了更好的成本优化，并搭配了C2000微控制器和整体电源管理产品组合来进一步提高功率密度和效率，藉由效率提升进一步压缩成本。

此次发布两款产品，充分展现了TI在GaN技术的成熟度。因此，TI预计产量在近期会有强劲增长。