从 2015 年开始,氮化镓(GaN)这个概念逐渐步入了大众的视线之中,短短五年时间,作为一种新型半导体技术,GaN 已发展成为可与硅技术“匹敌”的半导体技术。而随着 GaN 成本的不断下降,以及小米在今年发布最新 10 系列手机时同时雷军特别强调发布了 GaN 充电头后,大众对于这个第三代半导体材料的印象越来越深刻。

 

GaN 和 SiC 被人称之为“第三代半导体材料”,究其历史,第一代以 Si、Ge 为代表、第二代以 GaAs、InP III-V 族化合物为代表、第三代以 SiC、GaN 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。

 

从特性上来说,GaN 一般多用于 650V 以下的中低压功率器件及射频和光电领域,而碳化硅(SiC)则主要适用于高压功率器件领域。但无论从哪方面性能来说,都不难发现身为第三代半导体材料的 GaN 全面碾压硅和第二代半导体材料。

 


图:Si、GaAS、GaN 和 SiC 半导体材料特性对比

 

具体来讲,GaN 器件的高频特性是传统硅的 5 倍以上,这意味着相关的电容电感可以大幅度减少,而这也可以让整体的终端应用尺寸再次大幅缩小;开关速度上也非常快,这使得脉冲变窄,脉冲电流大;单位面积阻抗上也非常低,这可以让整个器件的发热降低到另一个水准,同时这就意味着整体的功耗降低,众所周知功耗既代表着续航、发电成本也代表着更低的发热量。

 

GaN 不仅步入寻常百姓家,还为电力工程行业带来变革,具体来说,GaN 实现了以往硅 MOSFET 从未达到的高速度、高效率和更高功率密度。

 

从技术方面来讲,GaN 的固有的较低栅极和输出电容支持以兆赫兹级的开关频率运行,同时降低栅极和开关损耗,从而提高效率。不同于硅,GaN 不需要体二极管,因而消除了反向恢复损耗,并进一步提高了效率、减少了开关节点振铃和 EMI。

 


图:GaN 功率氮化镓解决方案电路板

 

GaN 到底有多重要?就在前几天的 SEMICON China 2020 上,某个厂商指出:“相信在未来的几年,市场中会出现越来越多的硅基氮化镓的方案,在不久的未来,氮化镓器件能够取代很多硅器件成为市场主流方向之一。另外,在新时代的背景下,氮化镓作为半导体世界中的后浪,也会引领一些企业乘风破浪。”

 

就应用上来说,GaN 因为和 SiC 的特性不同,常用在 650V 以下中小系统,除了常见的手机充电、5G 射频领域以外,还可以大规模替代光伏逆变器、智能电网、电动汽车等领域的硅基材料的 IGBT。

 

当然,TI 作为行业,尤其是在电源方面是领头羊的企业,肯定不会错过这一个领域。根据 TI 的介绍,从 2010 年开始,TI 就已经研发相关技术,要知道业界第一颗 600V 的氮化镓芯片都已经是 2012 年了,更何况 GaN 技术被大面积推广应用才始于 2015 年,可以说 TI 的布局是超前于市场的。

 


图:TI 的 GaN 技术年年创新

 

而在 2017 年,TI 增加了在工业、电信、服务器和个人电子产品中的应用。对电力行业熟悉的小伙伴一定都听说过西门子,需要注意的就是,TI 在同年与知名企业西门子共同展示了 10 千瓦的云电网与 GaN 的连接。

 

在 2018 年,TI 就完成了超过 2000 万小时的可靠性测试,这一数字到了 2020 年就直接跃升到了 3000 万小时,仅用两年时间,TI 就实现了 1000 万次的可靠性测试,这是多么惊人的一个数字。

 

从产品方面来讲,TI 的 GaN 系列解决方案集成了高速栅极驱动器、EMI 控制、过热和过流保护,同时具有 100ns 的响应时间。集成式器件使布局得以优化,能够最大限度地减少寄生电感、提高 dv/dt 抗扰性 (CMTI),并缩小布板空间。

 

最近,TI 的 900V、5KW 双向 AC/DC 在平台上亮相。这一方案全权才用了 TI 的解决方案,包括了 C2000 数字控制器。而从 TI 给出的参数可以看出,在没有冷却风扇的情况下,峰值效率可达 99.2%!功率密度比传统 IGBT 解决方案高 300%!

 

而这整套的方案是 5kW 可扩展的多级解决方案,具有自然对流功能。另外,还支持不超过 1.4kV 的总线电压。

 


图:TI GaN: 900-V, 5-kW 双向转换器演示

 

记者其实也经常参加 TI 的发布会,TI 曾经说过,在今后 TI 的 GaN 将适用于汽车、电网存储和太阳能等领域。

 

那么,GaN 的辉煌的开始也才五六年而已,作为一种新型的技术,我们该如何去设计相关的系统呢?

 

当然,采用 TI 的整体解决方案才会发挥出 TI 的 GaN 的真正实力,这就包括了我们曾经讲解过的 C2000 系列 MCU,BQ 系列降压 - 升压充电器,TPS 系列 DC/DC 等。