GaN FET都有哪些發展機會?

2020-12-03 騰訊網

電源管理晶片是現代電子產品和設備不可或缺的關鍵器件。同時，伴隨著越來越多的傳統終端開始向電氣化和智能化方向發展，這就為電源管理晶片帶來了巨大的商機。

天風證券的報告中指出，目前，電源管理晶片主要應用於計算機、網絡通信、消費電子和工業控制等領域。汽車電子領域雖然現在所佔市場份額較小，但是近年來其發展速度卻不容忽視。

根據這種市場發展趨勢，近年來，致力於電源管理晶片的廠商也開始從低端消費電子開始向汽車領域靠攏。但對於車用半導體來說，耐高溫以及更大功率是他們對相關器件的需求。這些越來越高的要求也使得氮化鎵登上了電源管理晶片的舞臺，成為了新一代電子信息技術革命中的關鍵一環。

電源管理晶片的關鍵指標

提到電源管理晶片，就不得不提這個領域中的行業龍頭——TI。早在2010年，TI就開啟了在氮化鎵領域的探究。在這十年當中，TI不僅增加了其在工業、電信、伺服器和個人電子產品中的應用，還完成了超過4000萬小時的可靠性測試。

據其官方資料介紹，TI歷經十多年的投資和開發，提供了獨有的整體解決方案——將內部矽基氮化鎵（GaN-on-Si）器件的生產、封裝與優化的矽基驅動器技術相結合，從而能在新應用中成功採用GaN。

TI指出，隨著功率需求的增加，電路板面積和厚度日益成為限制因素。電源設計人員必須向其應用中集成更多的電路，才能實現產品的差異化，並提高效率和增強熱性能。在TI看來，功率密度、低EMI、低IQ、低噪聲高精度與隔離功能是未來電源管理晶片發展的五個重要因素。

德州儀器高壓電源應用產品業務部氮化鎵功率器件產品線經理Steve Tom表示：「TI GaN所關注的是如何提供並在應用中達到更高的功率密度。如果你仔細觀察周圍的世界會發現，電源管理是非常重要的，包括現在在汽車和工廠裡面的應用，以及在更智能更小巧的消費品中，電源管理無處不在。」

通過在先進工藝以及封裝等方面的探索，TI在其電源管理晶片的功率密度上得到了突破。根據TI官網介紹，TI 功率密度技術的主要優勢包括：

產熱更少：藉助我們先進的器件和氮化鎵技術，實現出色的器件開關性能。

熱性能更好：利用先進的冷卻技術（包括增強型 HotRod QFN 封裝、電源晶圓晶片級封裝和頂部散熱），幫助封裝體散熱。

效率更高：藉助多級轉換器拓撲和先進的功率級柵極驅動器，使用較小的無源器件實現較高的開關頻率，同時又不影響效率。

更小的系統佔用空間：利用高級的多晶片模塊技術，節省布板空間、簡化電路板布局並降低寄生效應的影響。

汽車 GaN FET將帶來什麼改變

從早些時候TI公布的氮化鎵發展路線圖中，我們便得以發現，其氮化鎵產品將要向汽車、電網存儲和太陽能等領域發展。

根據這一發展計劃，日前，TI推出了其面向汽車和工業應用的下一代650V和600V氮化鎵（GaN）場效應電晶體（FET），進一步豐富拓展了其高壓電源管理產品線。其中，LMG3525R030-Q1是其首款帶集成驅動器、內部保護和有源電源管理的車用GaN FET。

根據其官方資料介紹，與現有解決方案相比，新的GaN FET系列採用快速切換的2.2 MHz集成柵極驅動器，可為工程師提供兩倍的功率密度和高達99％的效率，並將電源磁性器件的尺寸減少59％。據介紹，該款新產品也是TI針對氮化鎵產品的戰略性投資。

在本次發布會當中，Steve Tom特別強調了LMG3525R030-Q1的集成驅動優勢。他指出，對比離散的解決方案，集成驅動可以實現高速的切換頻率以及較大的壓擺率。他預測，這些優勢可以為汽車提供更快的充電時間，更高的可靠性以及更低的成本。所以，這些可以在系統長期穩定性、可靠性方面，為汽車解決方案提供很大的優勢。

據悉，採用TI GaN FET的封裝產品，其熱阻抗比性能最接近的同類產品還要低23％，因此可使工程師使用更小的散熱器，同時簡化散熱設計。無論應用場景如何，這些新器件均可提供更大的散熱設計靈活性，並可選擇底部或頂部冷卻封裝。此外，FET集成的數字溫度報告功能還可實現有源電源管理，從而使工程師能在多變的負載和工作條件下優化系統的熱性能。

Steve Tom表示：「之前GaN對於市場同類產品的優勢，除了之前提到的關於成本、供應鏈、可靠性之外，最大的優勢來自於集成，因為集成可以讓晶片變得非常智能，可以通過現在FET所處的環境、電流和溫度進行相應的措施，這不僅可以讓可靠性更提高一個等級，並且可以使得電源設計者省去很多設計所需要的步驟。所以，我們的產品與市場同類產品相比最大的優勢是集成了驅動和保護，使得我們是一個更智能的產品，而不僅僅是一個GaN FET。」

對於汽車方面需要非常多層級的電源轉化，車載充電器可能是一方面，進行一個AC/DC 的PFC轉換，另外還有GaN可以被應用在高壓的DC/DC的轉化方面，因為汽車是整體需要非常多層級的電源轉化，所以GaN可以被應用在汽車的許多方面。

向工業領域繼續拓展

除了在汽車領域有所突破外，工業領域也是TI GaN FET的另一個發展方向。LMG3425R030便是TI針對工業領域推出的新產品。

TI指出，在工業設計中，LMG3425R030可在更低功耗和更小電路板空間佔用的情況下，在AC/DC電力輸送應用中實現更高的效率和功率密度。

這款LMG3425R030在工業中具有非常廣泛的應用，包括5G、電信、伺服器等領域，同樣，在電源AC/DC轉換中也擁有非常廣泛的應用場景。

Steve Tom表示介紹：「通常在傳統的應用中，在非常高的效率、功率密度以及非常低的成本中必須要有所取捨。但是，GaN可以達到99%的效率，同時在成本方面，氮化鎵器件也十分具有競爭力。」

此外LMG3425R030的集成化設計還可以進行熱監測，在過溫的時候提供保護。該器件也可以在集成驅動中也可以監測電流，在過流或者短路的時候，其GaN FET可以啟動自我保護程序。

文稿來源：半導體行業觀察

圖片來源：拍信網

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