汽車和工業用FET選擇GaN-on-Si的原因是什麼

2020-11-25 電子發燒友

汽車和工業用FET選擇GaN-on-Si的原因是什麼

夏珍 發表於 2020-11-18 09:55:47

首先，我們要知道的是電氣化正在改變如今的汽車行業，消費者越來越需要充電更快、續航裡程更遠的車輛。因此，工程師亟需在不影響汽車性能的同時，設計出更緊湊、輕便的汽車系統。而在工業領域，在對更低功耗或更小體積的器件需求度升高的同時，我們還希望能在AC/DC電力輸送應用中實現更高的效率和功率密度，比如在超大規模的企業計算平臺以及5G電信整流器中。

在了解了需求後，我們就要做決策。眾所周知，GaN和SiC都是寬禁帶半導體材料，具有高熱導率、高擊穿場強、高飽和電子漂移速率和高鍵合能等優點，可以滿足現代電子技術對高溫、高功率、高壓、高頻以及抗輻射等惡劣條件的新要求。

因此，在汽車和工業領域中，與SiFET相比，GaNFET具有很多優勢。以TI推出的650V和600V氮化鎵（GaN）場效應電晶體（FET）為例，它在採用了快速切換的2.2MHz集成柵極驅動器後，可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％。同時還能延長電池續航，提高系統可靠性並降低設計成本，就問香不香？

至於為什麼像TI這樣的廠商都在選擇GaN-on-Si，而非SiC或GaN-on-SiC？TI高壓電源應用產品業務部氮化鎵功率器件產品線經理SteveTom先生表示，「從研發的角度來看，目前GaN-on-Si的成本比SiC低很多，而在開關頻率表現方面，GaN比SiC開關頻率更快、開關特性更好，功耗更低，製作的器件體積更小。在可靠性方面也已進行了4000萬小時的測試，表現良好，可以實現大規模量產。」

此外，TI高壓電源應用產品業務部應用工程師張奕馳補充表示，「TI選擇GaN-on-Si還因為這些器件集成了驅動，而這個驅動是基於Si的，為了更好地將兩部分集成在一起，Si基是一個很好的選擇，同時還可以降本。」

GaN-on-Si是怎樣提高功率密度和電源效率的？

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。傳統解決方案中，我們通常要在低成本、高可靠性、小體積以及優秀系統性方面有所取捨。

而決定一個電源好壞的指標通常有五項，即功率密度、低EMI、低靜態電流IQ、低噪聲和高精度、隔離。這是為什麼呢？因為提高功率密度可以在降低系統成本的同時實現更多的系統功能；降低EMI可以減少對其他系統組件的幹擾，並簡化工程師的設計和鑑定流程；降低靜態電流IQ可以延長電池壽命與儲存時間、實現更多功能，延長系統使用壽命並降低系統成本；降低或轉移噪聲可簡化電源鏈並提高精密模擬應用的可靠性；提高隔離可以在在高壓和關鍵安全應用中實現更高工作電壓和更大可靠性。

那GaN-on-Si又是怎樣提高功率密度和電源效率的呢？以TI此次推出的工業級600VGaNFETLMG3425R030和車用級650VGaNFETLMG3522R030-Q1和LMG3525R030-Q1為例，TI在採用GaN-on-Si的基礎上，對集成度、電路拓撲以及封裝做了改善，因此整體的效率和功率密度都有所提高，具體包括以下四點優勢。

功率密度加倍：這三款器件由於集成了驅動，寄生電感就會很小，寄生電感小了可以使得壓擺率變得非常高，於是可以提供大於150V/ns和大於2.2MHz的業界更快切換速度。與離散解決方案相比，集成化可減少59%的功率磁性元件以及10多個組件需求。

PFC中效率提高：由於採用了智能死區自適應功能，最大程度地減少了停滯時間、固件複雜性和開發時間，同時將PFC中的第三象限損耗至多降低了66％。

超冷卻封裝：與水平最接近的市場同類產品封裝相比，可減少23％的熱阻抗。底部和頂部冷卻的封裝可實現散熱設計靈活性。

可靠性和成本優勢：4，000多萬小時的器件可靠性測試和超過5Gwh的功率轉換應用測試，可為工程師提供足以應對任何市場需求的可靠的使用壽命。

目前GaNFET的具體應用有哪些？

TI高壓電源應用產品業務部氮化鎵功率器件產品線經理SteveTom先生表示，目前TI與西門子推出了首個10千瓦連接雲電網的轉換器。同時，我們也在氮化鎵上完成了超過4000萬小時的可靠性測試。此外就LMG3425R030、LMG3522R030-Q1和LMG3525R030-Q1三款晶片，分別推出了評估板和技術支持資料。

張奕馳先生表示，在工業領域，GaN-on-SiFET有非常多的設計，其中包括圖騰柱PFC、電機驅動、高壓DC/DC的轉換器以及一些LOC的應用。

而SteveTom先生則補充表示，GaN在2016年推出後已被應用在越來越多應用裡，最近的應用包括5G基站應用以及快充電源的應用。GaN因其良好的開關特性以及非常高的壓擺率，日後可被應用於精密測試儀器領域中。
責任編輯人：CC

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