GaN為什么這么火？

“GaN 為何這么火？”如果再有人這么問(wèn)你。
最簡(jiǎn)單的回答：“因?yàn)槲覀冸x不開(kāi)電源，并且我們不斷追求更好的電源系統(tǒng)！”

今天，基于 GaN 器件的快充已在消費(fèi)電子市場(chǎng)站穩(wěn)腳跟。

現(xiàn)在，我們把時(shí)間撥回到 1928 年。一天，Jonason 等人合成了一種Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體材料，也就是 GaN。恐怕當(dāng)時(shí)他們?cè)趺匆蚕氩坏?，在?jīng)歷了將近一個(gè)世紀(jì)不溫不火的狀態(tài)后，今天，GaN 這種新型的半導(dǎo)體材料徹底引爆了全球功率器件的革新。

在消費(fèi)電子市場(chǎng)的成功說(shuō)明了目前整個(gè) GaN 行業(yè)的制造工藝和相關(guān)器件的性能得到了充分的驗(yàn)證。在全球進(jìn)軍工業(yè) 4.0、中國(guó)新基建開(kāi)啟征程的時(shí)刻，5G、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、新能源車及充電樁、光伏電網(wǎng)及特高壓、人工智能、云計(jì)算大數(shù)據(jù)中心等，每年要消耗的能源無(wú)疑是一個(gè)天文數(shù)字，市場(chǎng)急需更高效和更高密度的電源系統(tǒng)。因此，GaN 從幕后站到了前臺(tái)，如果說(shuō)消費(fèi)電子市場(chǎng)的成功只是小試牛刀，那么工業(yè) 4.0，中國(guó)新基建將會(huì)是 GaN 的封神之路。

GaN 為何這么火？究其原因還是在于功率密度的提升（什么是功率密度？可以參考技術(shù)文章：功率密度基礎(chǔ)技術(shù)簡(jiǎn)介），在更小的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)更大的功率，從而以更低的系統(tǒng)成本增強(qiáng)系統(tǒng)功能。提升功率密度的四個(gè)重要方面包括：降低損耗、最優(yōu)拓?fù)浜涂刂七x擇、通過(guò)機(jī)電元件集成來(lái)減小系統(tǒng)體積以及有效的散熱。

所以本文主要針對(duì)這些方面，從 GaN 材料的優(yōu)勢(shì)、電源拓?fù)洹⒐δ芗?、可靠性以?a target="_blank">產(chǎn)品匹配與應(yīng)用方面加以分析，告訴你 GaN 器件是如何在電源系統(tǒng)中掀翻傳統(tǒng) Si 器件的？

材料的優(yōu)勢(shì)

相對(duì)于 Si MOSFET 和 IGBT 器件，GaN 器件提供了實(shí)質(zhì)性的改進(jìn)，包括快速開(kāi)關(guān)時(shí)間、低導(dǎo)通電阻、較低的門(mén)極電容（例如，GaN 的單位門(mén)極電荷小于 1nC-Ω，而 Si 的單位門(mén)極電荷為 4nC-Ω），這些特性可以實(shí)現(xiàn)更快的導(dǎo)通和關(guān)斷，同時(shí)減少柵極驅(qū)動(dòng)損耗。

GaN 還提供了較低的單位輸出電容（典型的 GaN 器件的單位輸出電荷為 5nC-Ω，而傳統(tǒng)的 Si 器件為 25nC-Ω），這使設(shè)計(jì)人員能夠在不增加開(kāi)關(guān)損耗的同時(shí)實(shí)現(xiàn)較高的開(kāi)關(guān)頻率，更高的開(kāi)關(guān)頻率意味著設(shè)計(jì)人員能夠縮小電源系統(tǒng)中磁性元件的尺寸、重量和數(shù)量。

此外，更低的損耗等同于更高效的電源分布，這減少了發(fā)熱并精簡(jiǎn)了電源的冷卻方案。

電源拓?fù)?/p>

從 GaN 器件的特性和優(yōu)勢(shì)來(lái)說(shuō)，最適合的應(yīng)用大多是開(kāi)關(guān)電源。而在設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)模式電源時(shí)，主要考慮品質(zhì)因素（FOM）包括成本、尺寸以及效率。但是這三者相互關(guān)聯(lián)又相互掣肘，例如，增加開(kāi)關(guān)頻率可減小磁性元件的尺寸和成本，但會(huì)增加磁性元件的損耗和功率器件中的開(kāi)關(guān)損耗。如何才能實(shí)現(xiàn)緊湊且高效的電源拓?fù)?？下面以一個(gè)基于 GaN 器件的 1kW AC/DC 電源方案為例進(jìn)一步說(shuō)明。

AC/DC 電源的目標(biāo)是要把 AC 線路電源轉(zhuǎn)化為較低電壓，為手機(jī)或個(gè)人計(jì)算機(jī)等低壓電氣設(shè)備供電或充電，而這通常通過(guò)幾個(gè)功率級(jí)實(shí)現(xiàn)。第一級(jí)是典型電源，包括供電 AC 線路電源，它通過(guò)功率因數(shù)校正(PFC)級(jí)產(chǎn)生高壓 DC 母線；在第二級(jí)，該電壓經(jīng)由 DC/DC 轉(zhuǎn)換器被轉(zhuǎn)換為低壓（一般是 48 V 或 12 V）。這兩級(jí)被稱為交直流轉(zhuǎn)換級(jí)。它們一般被部署在一起并提供保護(hù)設(shè)備和人員的隔離措施。第二級(jí)轉(zhuǎn)換器輸出的 12 V 或 48 V 電壓，被分配給位于不同負(fù)載點(diǎn)(POL)的最終使用電路，例如設(shè)備柜內(nèi)的不同電路板；第三級(jí)轉(zhuǎn)換器存在一或多個(gè)直流轉(zhuǎn)換器，可產(chǎn)生電子元件所需的低壓。

那 GaN 是如何改進(jìn)了 PFC 級(jí)、高壓 DC/DC 轉(zhuǎn)換器和 POL 級(jí)的功率密度？

PFC 級(jí)使用高效率圖騰柱拓?fù)?，GaN 的反向恢復(fù)損耗為零，因此非常適合圖騰柱 PFC 拓?fù)?。與傳統(tǒng)的雙升壓技術(shù)相比，圖騰柱將功率器件和電感器的數(shù)量減少了 40％，從而實(shí)現(xiàn)獨(dú)一無(wú)二的高功率密度、高效率和低功耗組合，而類似的基于 Si 的設(shè)計(jì)卻無(wú)法做到這一點(diǎn)。與使用 Si 的傳統(tǒng)二極管橋式升壓 PFC 相比，使用 GaN 的 PFC 級(jí)的效率超過(guò) 99％，功耗降低 10W 以上。

高壓 DC/DC 級(jí)采用了高效的 LLC 諧振轉(zhuǎn)換器。雖然在 LLC 轉(zhuǎn)換器中使用 Si 是很普遍的，但是 GaN 的優(yōu)點(diǎn)在于把功率密度提高了 50%，將開(kāi)關(guān)頻率提升了一個(gè)數(shù)量級(jí)?；?GaN 的 1-MHz LLC 所要求的變壓器尺寸比基于 Si 的 100-kHz LLC 的變壓器要小六分之一。

POL 級(jí)利用 GaN 的低功率損耗，可直接實(shí)現(xiàn)高效的 48 V 到 1 V 硬開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器。大多數(shù) Si 解決方案需要額外的第四級(jí)將 48 V 轉(zhuǎn)換為 12 V，但 GaN 可實(shí)現(xiàn)真正的單級(jí)轉(zhuǎn)換，直接轉(zhuǎn)換為 1 V。通過(guò)這種方式，基于 GaN 的設(shè)計(jì)可將元件數(shù)量減少一半，并將功率密度提高三倍。雖然本示例我們?nèi)匀皇褂没?GaN 的 PFC、DC/DC 和 POL 電路，但是它們的實(shí)施或使用的電源拓?fù)溥€是不同的，經(jīng)過(guò)優(yōu)化后的電源拓?fù)淇筛蟪潭劝l(fā)揮 GaN 的性能。

功能集成

同樣是 GaN 器件，也會(huì)有設(shè)計(jì)難易之分，方案優(yōu)劣之別。。

如何理解直接驅(qū)動(dòng) GaN 器件？

簡(jiǎn)而言之，就是將驅(qū)動(dòng)與 GaN 器件集成到一個(gè)封裝中，這樣可以最大程度降低寄生電感、降低開(kāi)關(guān)損耗并優(yōu)化驅(qū)動(dòng)控制。

那更深層的意義？

同樣，以兩個(gè)典型的基于 GaN 器件的電路對(duì)比：共源共柵驅(qū)動(dòng) VS. 直接驅(qū)動(dòng)的電路配置。

通過(guò)兩者電路的對(duì)比分析，我們可以得出使用直接驅(qū)動(dòng) GaN 器件電路配置的優(yōu)勢(shì)：

更低的 Coss，從而降低損耗，在更高開(kāi)關(guān)頻率下優(yōu)勢(shì)越明顯；

沒(méi)有反向恢復(fù) Qrr 的損耗；

硬開(kāi)關(guān)應(yīng)用中的開(kāi)關(guān)損耗更低；

可通過(guò)設(shè)置 GaN 的充電電流來(lái)控制開(kāi)關(guān)速率；

更靈活的電路設(shè)計(jì)，在柵極環(huán)路中增加阻抗抑制寄生諧振，減少電源環(huán)路中的振蕩，從而降低了 GaN 器件上的電壓應(yīng)力，并減少了硬開(kāi)關(guān)期間的電磁干擾（EMI）問(wèn)題。

不僅如此，直接驅(qū)動(dòng) GaN 電路在高頻振蕩的表現(xiàn)上也比共源共柵驅(qū)動(dòng)好，下面的仿真波形是以功率器件的 Coss 和環(huán)路寄生電感為模型，對(duì)比了降壓轉(zhuǎn)換器中開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)振蕩的差異。

硬開(kāi)關(guān)操作導(dǎo)致過(guò)多高頻振蕩

直接驅(qū)動(dòng)配置具有受控的導(dǎo)通，且過(guò)沖很少。而共源共柵驅(qū)動(dòng)由于較高的初始 Coss、Qrr 和較低的柵極環(huán)路阻抗而具有較大的振蕩和硬開(kāi)關(guān)損耗。

集成那么多功能？該如何控制封裝的尺寸？在小尺寸的同時(shí)又如何保證優(yōu)異的散熱？這似乎是一個(gè)矛盾因果關(guān)系。

可靠性

眾所周知，為開(kāi)關(guān)電源設(shè)備提供保護(hù)電路非常重要，以防止由于直通、PWM 信號(hào)丟失、短路或其它事件而導(dǎo)致的系統(tǒng)級(jí)故障。因?yàn)?GaN 是一種高速器件，所以一般情況下需要在外部設(shè)計(jì)高速的檢測(cè)和保護(hù)電路。集成保護(hù)單元的 GaN 器件在這里就能提供無(wú)縫的操作和強(qiáng)大的保護(hù)，比如，TI 的 LMG3410 系列 GaN 產(chǎn)品，保護(hù)響應(yīng)時(shí)間不到 100ns，重點(diǎn)是它不需要外部組件，在提高可靠性的同時(shí)大大降低設(shè)計(jì)難度。

產(chǎn)品匹配與應(yīng)用

從 GaN 相比傳統(tǒng) Si 的優(yōu)勢(shì)，又到直接驅(qū)動(dòng) GaN 電路相比分立式 GaN 電路的優(yōu)勢(shì)，無(wú)不反應(yīng)半導(dǎo)體界的一個(gè)普遍定律，越集成越強(qiáng)大。既然直接驅(qū)動(dòng) GaN 有這么強(qiáng)勢(shì)的優(yōu)勢(shì)？那是否有相關(guān)的產(chǎn)品上市了呢？

其實(shí)細(xì)心的讀者應(yīng)該已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在上文中筆者已經(jīng)透露出了一些直接驅(qū)動(dòng) GaN 器件的信息，也就是 TI 最新推出的 LMG3410 系列產(chǎn)品。

TI LMG3410 系列 GaN 器件集成驅(qū)動(dòng)器可實(shí)現(xiàn)> 100 V / ns 的開(kāi)關(guān)速度，與分立的 GaN FET 相比，損耗降了一半。結(jié)合 TI 的低電感封裝，可以在每種電源應(yīng)用中提供干凈的開(kāi)關(guān)技術(shù)和更小的振蕩。其它功能包括可調(diào)節(jié)的 EMI 控制驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度，強(qiáng)大的過(guò)流保護(hù)和過(guò)熱保護(hù)功能，可優(yōu)化 BOM 成本、PCB 尺寸和面積。

除了驅(qū)動(dòng)和保護(hù)單元的集成，LMG3410 系列 GaN 器件的可靠性也得到充分得驗(yàn)證，具有超過(guò) 3,000 萬(wàn)小時(shí)的器件可靠性測(cè)試，10 年內(nèi) FIT 率低于 1。除了固有的可靠性測(cè)試外，TI 同樣在實(shí)際應(yīng)用中對(duì) GaN 進(jìn)行了最苛刻的硬開(kāi)關(guān)應(yīng)力測(cè)試，并可靠地轉(zhuǎn)換了超過(guò) 3 GWHrs 的能量。

另一方面，LMG3410 系列 GaN 器件利用了 TI 現(xiàn)有的工藝技術(shù)，提供了一些固有的供應(yīng)鏈并降低了成本。與在 SiC 或藍(lán)寶石等非 Si 襯底上構(gòu)建的其它技術(shù)不同，TI 的 GaN-on-silicon 工藝?yán)?TI 100％內(nèi)部設(shè)備進(jìn)行制造，組裝和測(cè)試，從而利用內(nèi)部資源持續(xù)改善產(chǎn)品質(zhì)量。

除了 LMG3410 系列 GaN 器件本身的優(yōu)異性，更重要的是 TI 實(shí)行“授人以魚(yú)不如授人以漁”的方針，提供了全面的 GaN 器件解決方案，并且不斷在更新&開(kāi)發(fā)新應(yīng)用領(lǐng)域方案，所以你拿到的不僅僅是一個(gè)器件，更是一站式的全套服務(wù)。

小結(jié)

GaN 的應(yīng)用可以說(shuō)是無(wú)處不在，文中提到的 AC/DC 電源只不過(guò)是 GaN 器件應(yīng)用的冰山一角，我們可以在想得到的任何需要提升效率和功率密度的場(chǎng)景下使用 GaN 解決方案。比如在電機(jī)控制領(lǐng)域，GaN 可以提高 PWM 頻率并降低開(kāi)關(guān)損耗，這有助于驅(qū)動(dòng)極低電感的永久磁性和無(wú)刷直流電機(jī)，這些特性還使轉(zhuǎn)矩波動(dòng)更小化，從而在伺服驅(qū)動(dòng)器和步進(jìn)器中實(shí)現(xiàn)精確定位，支持高速電機(jī)在無(wú)人機(jī)等應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)高電壓；在 LiDAR 應(yīng)用中，GaN 的低輸入和高電容特性，使 LiDAR 以更短脈沖實(shí)現(xiàn)了更高的峰值輸出光功率，這在提高成像分辨率的同時(shí)保護(hù)了眼睛的安全；在高保真音響應(yīng)用中，GaN 能在高壓擺率下高效開(kāi)關(guān)，并且開(kāi)關(guān)行為可預(yù)測(cè)性較高，極大減少了諧波失真，實(shí)現(xiàn)了更理想的音響性能，將噪音限制在更高的不可聽(tīng)的頻帶內(nèi)。

以上案例無(wú)一不在說(shuō)明 GaN 正在改變行業(yè)，從電路的本質(zhì)來(lái)說(shuō)，要使用 GaN 技術(shù)不是簡(jiǎn)單的加減法，不是換個(gè)器件而已，但是，在選擇方案時(shí)如果選擇像 LMG3410 這種提供現(xiàn)成 GaN 全套解決方案的，那使用 GaN 就如同換顆已經(jīng)驗(yàn)證過(guò)的代替料那么簡(jiǎn)單。現(xiàn)在，無(wú)需質(zhì)疑 GaN 的種種優(yōu)勢(shì)，它正在向更多的電源應(yīng)用領(lǐng)域滲透，而工業(yè) 4.0 和新基建將會(huì)成為 GaN 的封神之路。

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審核編輯 黃昊宇