汽車和工業(yè)用FET選擇GaN-on-Si的原因是什么

首先，我們要知道的是電氣化正在改變?nèi)缃竦钠囆袠I(yè)，消費者越來越需要充電更快、續(xù)航里程更遠的車輛。因此，工程師亟需在不影響汽車性能的同時，設(shè)計出更緊湊、輕便的汽車系統(tǒng)。而在工業(yè)領(lǐng)域，在對更低功耗或更小體積的器件需求度升高的同時，我們還希望能在AC/DC電力輸送應(yīng)用中實現(xiàn)更高的效率和功率密度，比如在超大規(guī)模的企業(yè)計算平臺以及5G電信整流器中。

在了解了需求后，我們就要做決策。眾所周知，GaN和SiC都是寬禁帶半導(dǎo)體材料，具有高熱導(dǎo)率、高擊穿場強、高飽和電子漂移速率和高鍵合能等優(yōu)點，可以滿足現(xiàn)代電子技術(shù)對高溫、高功率、高壓、高頻以及抗輻射等惡劣條件的新要求。

因此，在汽車和工業(yè)領(lǐng)域中，與SiFET相比，GaNFET具有很多優(yōu)勢。以TI推出的650V和600V氮化鎵（GaN）場效應(yīng)晶體管（FET）為例，它在采用了快速切換的2.2MHz集成柵極驅(qū)動器后，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％。同時還能延長電池續(xù)航，提高系統(tǒng)可靠性并降低設(shè)計成本，就問香不香？

至于為什么像TI這樣的廠商都在選擇GaN-on-Si，而非SiC或GaN-on-SiC？TI高壓電源應(yīng)用產(chǎn)品業(yè)務(wù)部氮化鎵功率器件產(chǎn)品線經(jīng)理SteveTom先生表示，“從研發(fā)的角度來看，目前GaN-on-Si的成本比SiC低很多，而在開關(guān)頻率表現(xiàn)方面，GaN比SiC開關(guān)頻率更快、開關(guān)特性更好，功耗更低，制作的器件體積更小。在可靠性方面也已進行了4000萬小時的測試，表現(xiàn)良好，可以實現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)?！?/p>

此外，TI高壓電源應(yīng)用產(chǎn)品業(yè)務(wù)部應(yīng)用工程師張奕馳補充表示，“TI選擇GaN-on-Si還因為這些器件集成了驅(qū)動，而這個驅(qū)動是基于Si的，為了更好地將兩部分集成在一起，Si基是一個很好的選擇，同時還可以降本?！?/p>

GaN-on-Si是怎樣提高功率密度和電源效率的？

如果你仔細觀察周圍的世界會發(fā)現(xiàn)，電源管理是非常重要的，包括現(xiàn)在在汽車和工廠里面的應(yīng)用，以及在更智能、更小巧的消費品中，電源管理無處不在。傳統(tǒng)解決方案中，我們通常要在低成本、高可靠性、小體積以及優(yōu)秀系統(tǒng)性方面有所取舍。

而決定一個電源好壞的指標通常有五項，即功率密度、低EMI、低靜態(tài)電流IQ、低噪聲和高精度、隔離。這是為什么呢？因為提高功率密度可以在降低系統(tǒng)成本的同時實現(xiàn)更多的系統(tǒng)功能；降低EMI可以減少對其他系統(tǒng)組件的干擾，并簡化工程師的設(shè)計和鑒定流程；降低靜態(tài)電流IQ可以延長電池壽命與儲存時間、實現(xiàn)更多功能，延長系統(tǒng)使用壽命并降低系統(tǒng)成本；降低或轉(zhuǎn)移噪聲可簡化電源鏈并提高精密模擬應(yīng)用的可靠性；提高隔離可以在在高壓和關(guān)鍵安全應(yīng)用中實現(xiàn)更高工作電壓和更大可靠性。

那GaN-on-Si又是怎樣提高功率密度和電源效率的呢？以TI此次推出的工業(yè)級600VGaNFETLMG3425R030和車用級650VGaNFETLMG3522R030-Q1和LMG3525R030-Q1為例，TI在采用GaN-on-Si的基礎(chǔ)上，對集成度、電路拓撲以及封裝做了改善，因此整體的效率和功率密度都有所提高，具體包括以下四點優(yōu)勢。

功率密度加倍：這三款器件由于集成了驅(qū)動，寄生電感就會很小，寄生電感小了可以使得壓擺率變得非常高，于是可以提供大于150V/ns和大于2.2MHz的業(yè)界更快切換速度。與離散解決方案相比，集成化可減少59%的功率磁性元件以及10多個組件需求。

PFC中效率提高：由于采用了智能死區(qū)自適應(yīng)功能，最大程度地減少了停滯時間、固件復(fù)雜性和開發(fā)時間，同時將PFC中的第三象限損耗至多降低了66％。

超冷卻封裝：與水平最接近的市場同類產(chǎn)品封裝相比，可減少23％的熱阻抗。底部和頂部冷卻的封裝可實現(xiàn)散熱設(shè)計靈活性。

可靠性和成本優(yōu)勢：4，000多萬小時的器件可靠性測試和超過5Gwh的功率轉(zhuǎn)換應(yīng)用測試，可為工程師提供足以應(yīng)對任何市場需求的可靠的使用壽命。

目前GaNFET的具體應(yīng)用有哪些？

TI高壓電源應(yīng)用產(chǎn)品業(yè)務(wù)部氮化鎵功率器件產(chǎn)品線經(jīng)理SteveTom先生表示，目前TI與西門子推出了首個10千瓦連接云電網(wǎng)的轉(zhuǎn)換器。同時，我們也在氮化鎵上完成了超過4000萬小時的可靠性測試。此外就LMG3425R030、LMG3522R030-Q1和LMG3525R030-Q1三款芯片，分別推出了評估板和技術(shù)支持資料。

張奕馳先生表示，在工業(yè)領(lǐng)域，GaN-on-SiFET有非常多的設(shè)計，其中包括圖騰柱PFC、電機驅(qū)動、高壓DC/DC的轉(zhuǎn)換器以及一些LOC的應(yīng)用。

而SteveTom先生則補充表示，GaN在2016年推出后已被應(yīng)用在越來越多應(yīng)用里，最近的應(yīng)用包括5G基站應(yīng)用以及快充電源的應(yīng)用。GaN因其良好的開關(guān)特性以及非常高的壓擺率，日后可被應(yīng)用于精密測試儀器領(lǐng)域中。
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