【導讀】Power Integrations推出具有里程碑意義的1250V氮化鎵開關IC前不久，集邦咨詢發布2022年氮化鎵（GaN）主要廠商出貨量排名，數據顯示Power Integrations（PI）以20%的市占率在2022年全球GaN功率半導體市場排名第一。這與PI的GaN發展策略和產品布局不無關系。
日前，PI發布全球首顆額定耐壓最高的單管GaN電源IC。關于這款產品以及產品背后的技術背景，PI技術培訓經理Jason Yan與記者進行了深入交流。他表示，這顆IC采用了1250V的PowiGaN? 開關技術，強化了公司在高壓GaN技術領域的持續領先地位，具有里程碑意義。
1250V PowiGaN? 填補了空白
基于InnoSwitch? 3-EP的PowiGaN? 開關是PI恒壓/恒流準諧振離線反激式開關IC產品系列。它采用同步整流和FluxLink? 磁感耦合技術替代傳統光耦，并具有豐富的開關選項，高度集成的開關IC集成了功率開關、保護、反饋和同步整流，可以穩定輸出電壓和電流，提升整體電源效率。
PI 技術培訓經理Jason Yan講解1250V PowiGaN?
在此之前，PI產品包括725V硅開關、1700V碳化硅（SiC）開關及其他衍生的750V、900V產品，現在又增加了1250V耐壓的最新成員。PI也因此成為唯獨一家全面覆蓋MOS管到不同耐壓的GaN和SiC的公司。
Jason Yan介紹說，PowiGaN? 目前已在60多個市場應用中廣泛使用，包括家電、電動自行車、音響、汽車等。其InnoSwitch? 3系列初級開關涵蓋硅、GaN和SiC，硅開關包括650V、750V和900V；SiC開關是1700V；繼今年3月發布了900V的GaN器件之后，PI最新發布的也是一款耐壓達1250V的GaN器件。
據他介紹，PowiGaN? 具有高達93%的功率變換效率，在高達85W輸出功率條件下無需金屬散熱片，簡化了散熱設計；可在待機模式下為負載提供更大的功率，有利于實現高度緊湊的反激式電源設計，減小系統尺寸和重量；具有更大裕量及更強的耐用性，適用于更高的供電電壓，包括工業類電壓、美規277VAC三相電供電的室外照明應用，以及某些電網不穩定環境的應用。
適用于工業及家電類應用的PowiGaN?
具體講，在典型反激式應用中，725V產品可滿足450VDC母線電壓需求，900V可以在550V母線電壓下工作，1700V可以在1200V母線電壓下工作。所以，針對不同用電環境，客戶可以選擇不同的功率開關，最新的1250V GaN可以在750VDC母線電壓工作，填補了這一檔的空白，而且幾乎已涵蓋450V-1250V的整個母線電壓范圍，解決了使用1700V產品大馬拉小車的問題。如果將來進一步提升GaN的耐壓，就可以用GaN實現1700V SiC開關的替代。隨著未來汽車級認證產品的推出，勢必會使GaN產品得到更廣泛的應用。
涵蓋Si、GaN或SiC的InnoSwitch3系列初級開關
1250V GaN有更大的電壓裕量。對于480VAC輸入的應用，在主功率開關管關斷后，通常反激式應用的開關管兩端會呈現830V的最高電壓，這其中的成分主要包括輸入電壓、反射電壓加上漏感尖峰電壓，而這距1250V的開關管額定電壓有極大的裕量。對于以MOS管作為主功率開關管的設計，當其兩端電壓一旦超過上面的安全雷擊電壓區域就會炸掉，而GaN開關器件的優勢在于，在瞬間大電壓下它并不會永久損壞，唯一變化的僅是其導通電阻的漂移，不會造成器件的絕緣破壞，產生不可逆的永久損傷。在輸入電壓為480VAC、輸出為60W的滿載應用條件下，此時母線電壓可達680VDC，而對于GaN開關來講還有420V以上的裕量，降額為66%，這樣可以在輸入電壓不穩定情況下提供很好的保護，大幅提升電源的可靠性。
1250V PowiGaN? 的電壓裕量
由于1250V的絕對最大值可以滿足80%的行業降額標準，在使用新款這款1250V IC時，設計人員可以放心地設計可以在1000V峰值電壓工作的電源，利用巨大的裕量抵御電網波動、浪涌及其他電力擾動，滿足具有挑戰性電網環境的應用要求。
PI GaN有何不同？
要回答這個問題，還要先來看看PI GaN采用的一種叫共源共柵（Cascode）的架構，它是將上下兩個管子串聯，在上面的GaN下串聯一個低壓MOS管。據說，目前市場上只有兩家廠商采用這種架構，而批量供貨的只有PI。
封裝方面，PI利用多芯片模塊技術將所有的晶圓封裝在一個封裝當中，然后內部通過鍵合線進行互連，通過精確控制驅動器尺寸和走線電感優化了開關性能，并在內部加強了對GaN開關器件的保護，從而保證產品的高可靠性。
共源共柵架構優化了GaN的性能和可靠性
目前市場上的GaN有E-Mode（增強型）或D-Mode兩種，PI用的是后者。E-mode為常閉型器件，這是GaN的天然狀態，如果不加信號，GaN始終處于導通狀態。要使GaN變成常開，就要加p摻雜偏置層，有可能增加風險。PI的GaN器件是通過串聯一個低壓MOS管來實現了功率器件的常開狀態。
共源共柵消除了柵極驅動的挑戰
Jason Yan指出：“MOS管是非常成熟的技術，無論是保護還是驅動；而且柵極不需要E-mode的負壓驅動，簡化了驅動電路，同時可防止發生誤開通現象。而E-mode要滿足更高的驅動電壓裕量以保證可靠性，就需要降低驅動電壓。這樣會導致器件本身的導通電阻變大，這樣就犧牲了GaN器件低導通電阻的優勢?！?/p>
利用Cascode，PI最大限度提高了PowiGaN? 的性能，解決了柵極驅動的挑戰，特別是在器件的堅固耐用方面。
共源共柵最大限度提升了變換器效率
以725V、650V工作的硅MOS為例，超過725V開關就會進入雪崩區域而損壞；如果電壓再高，即使是E-mode GaN，也可能會在1100V的單次高壓事件中永久失效。
同樣，750V GaN可以在650V以下安全工作，但由于有安全雷擊電壓范圍，到750V性能才會下降，還仍能保證安全工作；只是出現導通電阻的漂移，而一旦電壓回到正常狀態，它也會自行恢復，不會造成永久擊穿。對于750V的 PowiGaN? 開關只有電壓超過1400V才會出現造成永久失效；1250V PowiGaN? 可承受的最高電壓甚至可達2100V。所以，GaN不但帶來了效益提升，降低了開關損耗，同時也大大增加了電源在高壓沖擊下的可靠性。
硅與PowiGaN? 耐用性對比
PowiGaN?、硅和SiC性能比較
以導通電阻（Rds(on)）為0.44Ω的1250V器件為例，PI對自己的硅、SiC開關與PowiGaN? 開關的性能進行了橫向比較。利用兩塊電路板——低壓輸入板和汽車中使用的高壓輸入板，對三種不同技術的效率表現做了對比。方法是只更換不同耐壓的InnoSwitch? 3-EP器件，每種器件都選擇其最適宜的輸出功率，觀察器件在板上的效率表現，看GaN對整個電源性能產生了哪些影響。
硅、SiC與PowiGaN? 開關性能比較
可以看到，隨著輸入電壓提高，硅開關在650V、725V和900V不同輸入電壓的效率出現逐漸下降。
硅開關的效率隨輸入電壓增加而下降
電源最關鍵的參數是低壓條件下的溫升表現，輸入電壓越高，溫升就越好，所以溫升測試都是在90VAC條件下進行。相比650V硅開關方案，1250V GaN的低壓區域效率高出了1%，這意味著損耗降低了20%，溫度也可以降低20%。而當1250V GaN在750V母線電壓下工作時，其效率和SiC的曲線很接近。
效率提升意味著降低工作溫度
Jason Yan解釋道，MOS管的開關損耗是由輸出電容（Coss）的儲能產生的，MOS管開通后，Coss儲存的能量會釋放掉，導致開關損耗。輸入電壓越高，開關電壓越高，損耗也越高。對于某個應用來講，輸入電壓范圍是無法改變的，只能通過減小Coss來降低開關損耗。對于750V工作的硅器件，必須將MOS管的耐壓做高，這會使Rds(on)急劇增加，導通損耗也會相應增加。為了降低Rds(on)，就必須將晶圓尺寸做大，這樣又增加了Coss，所以這是一個矛盾關系，需要在導通損耗和開關損耗之間尋求平衡。采用GaN技術可以降低Coss，Rds(on)也會隨之減小，最大的好處是可以在更高母線電壓下使PowiGaN? 的開關損耗降至同等硅開關的1/3以下。更小的晶圓尺寸及更高的效率有利于使用更小的封裝。1200V硅TO-247封裝的Rds(on)為0.69Ω，而采用InSOP-24D封裝的1250V GaN的Rds(on)是0.44Ω。
在高壓反激類應用中PowiGaN? 開關優于MOSFET
比較表明，相對同等耐壓的硅，1250V PowiGaN? 具有性能上的優勢，損耗約降低了一半，效率也有很大的改善。
1250V PowiGaN? 的損耗約降低了一半
作為第三代半導體器件的SiC同樣具有更高的效率，能夠實現10℃以上的溫升改善。PI既有650V、725V的硅器件，也有1250V的PowiGaN?，可以將溫度做到76℃，比硅器件改善了6-10℃。
寬禁帶器件的效率和溫升改善
為了支持新產品的推廣應用，PI提供一系列的支持，其中12V、6A反激變換器的參考設計DER-1025輸出功率為60W，輸入電壓為90–480VAC，輸出為12V、5A，空載功耗小于30mW，降額在66%以上，整個電壓范圍效率在92%左右。
GaN是功率變換的未來
Jason Yan表示，GaN技術代表著功率變換的未來。首先它極具成本效益，MOS管效率不高，而SiC成本很高。第二，GaN可以針對功率變換量身定制，不同環境應用選擇不同功能的開關。
“GaN并不適用所有的應用環境，比如在某些應用中要求漏電流小、開關頻率比較高，GaN比較合適，對于某些實際通過電流沒有那么大的應用，就體現不出GaN低導通電阻的優勢，所以要根據不同應用選擇不同的開關技術。”他說。
第三，可以在不同功率水平、不同電壓應用中對硅、GaN和SiC進行無縫切換。而更高電壓、更大功率器件擴展了系統性能的選擇范圍，一直是行業的發展方向，功率越高、耐壓越高，就越有助于降低成本。
第四，對客戶來說，GaN沒有供應鏈問題，生產過程不像SiC那么復雜，成本也會繼續下降。
他最后強調，PI的賣點是價值。除了通過自己產品的高度集成，帶給客戶價值以外，也希望能夠幫助客戶建立他們自己產品的品牌價值。未來，PI還會推出更高耐壓的GaN產品，并致力于將GaN的效率優勢擴展到更廣泛的應用領域，包括目前已經使用SiC技術的應用領域。PowiGaN?產品的未來，值得我們去期待。
來源：PSD功率系統設計 作者：劉洪
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