为什么汽车和工业用 FET 要选择 GaN-on-Si,而非 SiC 或其他?


首先,我们要知道的是电气化正在改变如今的汽车行业,消费者越来越需要充电更快、续航里程更远的车辆。因此,工程师亟需在不影响汽车性能的同时,设计出更紧凑、轻便的汽车系统。而在工业领域,在对更低功耗或更小体积的器件需求度升高的同时,我们还希望能在 AC/DC 电力输送应用中实现更高的效率和功率密度,比如在超大规模的企业计算平台以及 5G 电信整流器中。


 


在了解了需求后,我们就要做决策。众所周知,GaN SiC 都是宽禁带半导体材料,具有高热导率、高击穿场强、高饱和电子漂移速率和高键合能等优点,可以满足现代电子技术对高温、高功率、高压、高频以及抗辐射等恶劣条件的新要求。


因此,在汽车和工业领域中,与 Si FET 相比,GaN FET 具有很多优势。以 TI 推出的 650V 和 600V 氮化镓(GaN)场效应晶体管(FET)为例,它在采用了快速切换的 2.2 MHz 集成栅极驱动器后,可提供两倍的功率密度和高达 99%的效率,并将电源磁性器件的尺寸减少 59%。同时还能延长电池续航,提高系统可靠性并降低设计成本,就问香不香?


至于为什么像 TI 这样的厂商都在选择 GaN-on-Si,而非 SiC 或 GaN-on-SiC?TI 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 先生表示,“从研发的角度来看,目前 GaN-on-Si 的成本比 SiC 低很多,而在开关频率表现方面,GaN 比 SiC 开关频率更快、开关特性更好,功耗更低,制作的器件体积更小。在可靠性方面也已进行了 4000 万小时的测试,表现良好,可以实现大规模量产。”


此外,TI 高压电源应用产品业务部应用工程师张奕驰补充表示,“TI 选择 GaN-on-Si 还因为这些器件集成了驱动,而这个驱动是基于 Si 的,为了更好地将两部分集成在一起,Si 基是一个很好的选择,同时还可以降本。”


GaN-on-Si 是怎样提高功率密度和电源效率的?


如果你仔细观察周围的世界会发现,电源管理是非常重要的,包括现在在汽车和工厂里面的应用,以及在更智能、更小巧的消费品中,电源管理无处不在。传统解决方案中,我们通常要在低成本、高可靠性、小体积以及优秀系统性方面有所取舍。

而决定一个电源好坏的指标通常有五项,即功率密度、低 EMI、低静态电流 IQ、低噪声和高精度、隔离。这是为什么呢?因为提高功率密度可以在降低系统成本的同时实现更多的系统功能;降低 EMI 可以减少对其他系统组件的干扰,并简化工程师的设计和鉴定流程;降低静态电流 IQ 可以延长电池寿命与储存时间、实现更多功能,延长系统使用寿命并降低系统成本;降低或转移噪声可简化电源链并提高精密模拟应用的可靠性;提高隔离可以在在高压和关键安全应用中实现更高工作电压和更大可靠性。


 


那 GaN-on-Si 又是怎样提高功率密度和电源效率的呢?以 TI 此次推出的工业级 600V GaN FET LMG3425R030 和车用级 650V GaN FET LMG3522R030-Q1 和 LMG3525R030-Q1 为例,TI 在采用 GaN-on-Si 的基础上,对集成度、电路拓扑以及封装做了改善,因此整体的效率和功率密度都有所提高,具体包括以下四点优势。


功率密度加倍:这三款器件由于集成了驱动,寄生电感就会很小,寄生电感小了可以使得压摆率变得非常高,于是可以提供大于 150 V/ns 和大于 2.2 MHz 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。


PFC 中效率提高:由于采用了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%。


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。


可靠性和成本优势: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。


目前 GaN FET 的具体应用有哪些?


TI 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 先生表示,目前 TI 与西门子推出了首个 10 千瓦连接云电网的转换器。同时,我们也在氮化镓上完成了超过 4000 万小时的可靠性测试。此外就 LMG3425R030、LMG3522R030-Q1 和 LMG3525R030-Q1 三款芯片,分别推出了评估板和技术支持资料。


 


张奕驰先生表示,在工业领域,GaN-on-Si FET 有非常多的设计,其中包括图腾柱 PFC、电机驱动、高压 DC/DC 的转换器以及一些 LOC 的应用。


而 Steve Tom 先生则补充表示,GaN 在 2016 年推出后已被应用在越来越多应用里,最近的应用包括 5G 基站应用以及快充电源的应用。GaN 因其良好的开关特性以及非常高的压摆率,日后可被应用于精密测试仪器领域中。