TI GaN“新势力”，首款GaN FET定位于汽车和工业应用
GaN近年来非常火，不少人也有体验到了GaN 充电器充电器带来的便利，充电更快了、设备更轻薄了。如今越来越多的领域需要半导体能够耐高温、拥有更强辐射、更大功率，越来越高的要求使得GaN成为新一代电子信息技术革命中的关键一环。
近日，德州仪器（TI）推出了首款带集成驱动器、内部保护和有源电源管理的650V和600V GaN FET，分别面向汽车和工业应用，与现有解决方案相比，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％。
GaN让电源管理更优秀
针对实际应用需求，TI总结了在电源管理上五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。
在汽车和工厂领域的应用，亦或是在更智能、更小巧的消费品中，电源管理无处不在。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。传统解决方案通常要在低成本、高可靠性、小体积以及优秀的系统性方面有所取舍。得益于GaN的优质特性，TI GaN可以同时满足所有这些优秀的表现。
德州仪器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先生介绍道：“TI对GaN采取的是硅基氮化镓，将驱动集成在了硅基层上，这使得我们可以提供更可靠、更具成本优势、更加实用的GaN解决方案。”
为什么选择硅基氮化镓，而不是GaN-on-SiC（碳化硅基氮化镓）？“TI的硅基氮化镓集成了驱动，我们的驱动是基于硅的，硅基氮化镓使得我们可以更好地集成，同时成本更低。” 德州仪器高压电源应用产品业务部应用工程师张奕驰先生解释道。
Steve Tom补充道：“除了可以降低成本，选择硅基氮化镓，还可以进行非常大规模和可靠的生产，因为TI对于硅可以进行大规模的生产。”
而一些友商发布了600~650V的SiC，TI为什么选择GaN？张奕驰表示， TI在硅基GaN的成本比SiC低很多，并且GaN对比SiC有更好的开关特性，以达到更高的效率。此外，开关速度可以更快，使得整体的设计开关速度更高，尺寸更小。
TI下一代集成GaN FET
TI GaN发展线路图
TI从十年前就开始研发GaN，并与工业上伙伴紧密合作，同时也在氮化镓上完成了超过4000万小时的可靠性测试。
TI首个汽车等级的GaN展现了其在质量、可靠性和成本上的独特优势。“得益于TI GaN集成的一些优势，我们可以将功率密度增加到非常大，能够提供大于150 V /ns和大于2.2 MHz的业界更快的切换速度。高压摆率和高切换速度能够更大限度地减少电路中的磁元件，通过集成可以将功率磁元件体积减少59%，以及减少十多个组件需求。” Steve Tom介绍道。
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，如TI的智能死区自适应功能，可以减少设备在死区的时间，从而将PFC中第三项象限损耗降低66%。
封装技术同样重要，TI采用的超冷却封装是极具创新性的12×12 QFN封装，对比其他水平接近的友商，能够减少23%的热阻抗。
TI的GaN经过了长达4000万小时的可靠性测试，可以被应用在对可靠性要求非常高的汽车和工业领域。Steve Tom介绍，TI GaN有专门的可靠性实验室，针对硬开和软开的情况都会进行非常多的可靠性测试。在硬开的时候可以将功率等级在4000W以上，进行一周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。
同样，在浪涌方面也进行了很多测试。TI的设备可以承受高于720V的浪涌，在过压的时候也可以非常顺利地进行开关。
650 V GaN FET为汽车减重
在电动汽车方面，消费者的需求是车辆充电更快、续航里程更远。而工程师则需要在不影响汽车性能的同时，设计出更紧凑、轻便的汽车系统。
LMG3525R030-Q1是650 V汽车GaN FET，具有集成驱动器和保护功能。
对于转换器来说，通过使用GaN可以提升汽车的充电速度及驾驶里程。此外，车载充电器可以得到更高的效率和更轻的重量。得益于高达2.2 MHz的切换频率和集成驱动所发挥的优势，与现有的硅基和SiC方案相比，该产品可以减小车载充电器50%的体积。此外，集成驱动对比离散的解决方案，拥有更加高速的切换频率以及更大的压摆率。
TI预测这些优势可以为汽车带来更快的充电时间、更高的可靠性以及更低的成本，这些可以在系统长期稳定性、可靠性方面为汽车解决方案提供很大的优势。
根据客户的要求，TI还可以提供所需要的评估板和支持资料。
650 V 600 V GaN FET功率密度翻倍
LMG3425R030针对工业方面，在5G、电信、服务器等领域电源的AC/DC转换中有非常广泛的应用。例如，充电桩应用可以使用这款工业级产品。这款元器件的优势在于功率密度的加倍，并能实现99%的效率，在类似于图腾柱PFC中可以广泛的应用。
在传统应用中，通常在高效率、功率密度以及低成本中必须要有所取舍。但是，GaN可以达到99%的效率，同时也可以在成本方面非常具有竞争力。
集成化设计可以进行热监测，在过温时进行保护，同样在集成驱动中也可以监测电流；在过流或者短路时，TI GaN FET可以启动自我保护。
这款产品同样推出了评估板，集成了两个FET在一个半桥模式下，这款产品是从底部进行冷却，可获取高达4000W的效率。同样配置有插座式外部连接，可轻松与外部功率级连接，可以非常方便地设计在现有的产品中。
智能死区自适应是TI集成的一个全新功能，通过智能死区自适应，GaN可以根据负载电流自动调节死区时间，负载电流越大，所需要的死区时间就越短，实现效率最大化。
针对工业和汽车领域的两款产品有何不同？Steve Tom表示，第一，两者所需要通过的标准不一样；第二，工业领域采用600V GaN，汽车领域采用650V GaN，因为在汽车应用所需要的母线电压会更高；第三，一个是顶部散热，一个是底部散热，汽车顶部散热提供了更多可能性，可以让客户通过散热板、水冷和其他散热方式更高效地进行散热。
GaN在2016年推出后已被应用在越来越多应用里，如最近的5G基站应用以及快充电源应用等。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。TI在硅方面有很大的生产优势，并且TI自己内部控制所有的供应链以及生产，据悉现有工厂正在往更大尺寸的晶圆方向发展，因此未来量产后TI可以进一步将GaN的价格降到很低，拥有更大的价格优势。
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