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GaN（氮化镓）作为新一代半导体材料，正有越来越广泛的应用。近日，德州仪器（TI）宣布其首款带集成驱动器、内部保护和有源电源管理的GaN FET，分别面向车用充电器和工业电源，可以实现2倍的功率密度和高达99%的效率。

TI如何看待GaN在汽车和工业方面的机会？此次GaN FET的突破性技术是什么？为此，电子产品世界记者线上采访了TI高压电源应用产品业务部GaN功率器件产品线经理Steve Tom。

TI高压电源应用产品业务部 GaN功率器件产品线经理 Steve Tom

1   GaN在电源领域的机会

在电源管理领域，有5个最具有挑战的前沿领域：功率密度、低EMI、低静态电流、低噪声高精确度和隔离。

TI的GaN所关注的是如何提供并在应用中达到更高的功率密度。

电源管理是非常重要的，从汽车和工厂到更智能、小巧的消费电子产品中，电源管理可谓无处不在。在传统解决方案中，通常要在低成本、高可靠性、小体积以及优秀系统性方面有所取舍。得益于GaN的优质特性，TI的GaN可以同时满足所有这些优秀的特性。因为TI采用的是硅基GaN，将驱动集成在了硅基层上。

这里有两个关键点。第一，TI为什么选择硅基氮化镓？因为市场上也有GaN-on-SiC（碳化硅基氮化镓）。Steve Tom解释道，在早期研发时，TI就考虑到从长远来看，因为如果使用的GaN是硅基，在成本方面要比SiC低很多。另外，在开关频率方面，GaN可以比SiC开关频率更快以及有更好的开关特征，包括更低的损耗。而且TI 在可靠性方面也进行了很多的测试。所以，在成本、可靠性、开关方面，硅基GaN有相应的优势。

那么，一些友商发布了600~650V的SiC。TI为什么选择GaN？因为 TI认为，硅基GaN在成本方面比SiC要减少很多，并且GaN对比SiC有更好的开关特性，以达到更高的效率。并且开关速度可以更快，可以使整体的设计开关速度更高，以及整体设计更小。

第二点，为何做成GaN FET?这是因为集成不仅使体积减小，还可以使芯片智能——可以根据所处的环境的电流和温度等进行调整，这不仅使可靠性提高，还可使电源设计者省去很多设计所需要的步骤。“我们的产品与市场同类产品相比最大的优势是集成了驱动和保护，使我们的是更智能的解决方案，而不仅仅是一个GaN FET。” Steve Tom称。集成的驱动就像芯片的大脑一样，可以提供一些额外的功能，例如智能死区自适应功能，可减少设备在死区的时间，从而将PFC中第三象限损耗降低了66%。

其中，智能死区自适应是TI新提出的一个功能，类似于可以通过负载电流的不同调节死区时间的大小。众所周知。在PFC中有一种是同步开关，一种主动开关，在同步开关打开之前的那一段死区时间是根据负载电流的大小来提供的。负载电流越大，所需要的死区时间就越短，智能死区自适应就可以通过负载电流来调节死区的时间，从而使得效率可以最大化。

图 TI的10年GaN发展历程

2 10年布局GaN

GaN对于TI来说具有战略意义。TI早在10年前就开始研发，当时就意识到GaN的应用潜力：会在工业、电信、以及个人电子消费品、企业的电源中有广阔的应用，因为这些领域需要非常高的功率密度，并且对可靠性的要求也非常高。TI在研发出的硅基GaN后就开始与工业伙伴紧密合作，例如，与西门子推出了首个10 kW连接云电网的转换器。同时，在氮化镓上完成了超过4000万小时的可靠性测试。

那么，TI的GaN可靠性测试4000万小时是怎样实施的？实际上，在可靠性方面，TI有可靠性实验室，会针对硬开和软开的情况进行很多的可靠性测试。硬开时功率等级可达4000W以上，会进行7×24小时的测试，并且在测试的同时进行数据采集，来判断以及分析GaN的可靠性。在浪涌方面也进行了很多测试，使TI的GaN可以承受高于720V的浪涌，使得在过压时也可顺利地进行开关。TI通过可靠性测试，并且在诞生可靠性标准方面也进行了领导和引领作用。

另外，在制造方面，TI所有GaN的生产全部都属于自有的，从来不外包设计。相关的工厂在达拉斯，现在的工厂正在往更大尺寸的晶圆方向发展，使将来GaN的成本也会更低。

再有，TI在电源/电源管理方面有丰富的产品，针对包括宽输入电压AC/DC转换器、以及电池管理等一系列应用，都具有对应的解决方案。同样，在工业设计方面也有非常完善的解决方案，从工厂自动化和电机驱动控制，以及其他一系列工业方面的设计。

最后，TI提供了非常完整的设计开发资源。

在工业领域，TI GaN已经有一些应用案例，包括图腾柱PFC，以及电机驱动，还有高压DC/DC的转换器等应用。

图 用于EV的车载充电器和DC/DC转换器

3   GaN FET的设计亮点

如今，TI带来了其首个汽车级的GaN：LMG3525R030-Q1，是650V GaN FET，具有集成驱动器和保护功能。与现有的Si或SiC解决方案相比，使用TI的新型车用GaN FET可将电动汽车（EV）车载充电器和DC/DC转换器的尺寸减少多达50％，从而使工程师能够延长电池续航，提高系统可靠性并降低设计成本。 

工业级产品是LMG3425EVM-043，是600V的GaN FET，可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。

得益于TI GaN集成的优势，可以将功率密度增加很大，能提供大于150V/ns和大于2.2 MHz的业界更快切换速度。高压摆率和高切换速度能将电路中的磁元件减少得更小，通过集成可将功率磁元件体积减少59%，以及减少十多个组件。

那么，为何TI GaN的切换速度可以到150 V/ns？实际上，对比离散的GaN，集成驱动使所有寄生电感变得更小，更小的寄生电感可以使得压摆率变得非常高。

TI的工业和汽车用GaN FET，二者有一些区别。首先两者所要通过的标准是不同的。另外最大的两点区别是：①工业是600V的GaN，汽车是650V的GaN。因为在汽车方面有一些应用所需要的母线电压会更高。②汽车的是顶部散热，工业的是底部散热。汽车的顶部散热提供了更多可能性，可以让客户的方案通过散热板、水冷和其他散热方式更高效的进行散热。

封装也同样重要，此次采用了12×12 mm² QFN封装。相比竞品，该方案能减少23%的热阻抗。

关键词： GaN FET SiC