德州儀器進軍中壓氮化鎵，進一步替代傳統(tǒng)硅基市場
發(fā)布日期:2024-03-17
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近日，德州儀器推出了全新的100V氮化鎵——LMG2100和LMG3100系列產(chǎn)品，補充了公司在100V左右中壓市場的空白。借助新一代氮化鎵，以及熱增強雙面冷卻封裝技術(shù)，可簡化中壓應(yīng)用的熱設(shè)計并實現(xiàn)大于1.5kW/in3的超高功率密度。
德州儀器氮化鎵業(yè)務(wù)負責人楊斐博士詳細介紹了該產(chǎn)品以及氮化鎵在中壓市場的新動向。
德州儀器廣泛的氮化鎵產(chǎn)品組合
功率密度貫穿電源設(shè)計趨勢始終
楊斐表示，隨著AI、電動汽車、能源等行業(yè)應(yīng)用越來越復(fù)雜，處理器及系統(tǒng)的功耗越來越大，這也對電網(wǎng)和電源提出了更高要求。在功率提升的同時，整個系統(tǒng)的尺寸并沒有變化，比如服務(wù)器還是傳統(tǒng)的機架，汽車上留給電源的尺寸不變，新能源行業(yè)也需要設(shè)備越來越小型化，集成化。
功率密度的提高通常與效率或成本等其他領(lǐng)域的發(fā)展息息相關(guān)。一般而言，功率轉(zhuǎn)換效率的根本性提高可減小解決方案的尺寸。減小尺寸會產(chǎn)生一系列連鎖反應(yīng)，物理材料更少、組件更少、成本結(jié)構(gòu)更好、解決方案集成更多以及總體擁有成本更低，從而實現(xiàn)成本的節(jié)省。
第三代半導(dǎo)體代表之一的氮化鎵，相比傳統(tǒng)的硅器件有更低的開關(guān)損耗，以及更高的開關(guān)頻率。更高的開關(guān)頻率可以選擇更小的電感、變壓器和電容，從而提升電源系統(tǒng)的功率密度。
“具體系統(tǒng)效率的提升取決于拓撲，比如針對微型逆變器，硅器件的效率一般在 94% 到 96%，如果使用氮化鎵則可以輕松達到 98%。”楊斐舉例道。
當然還有其他的應(yīng)用，比如共驅(qū)系統(tǒng)。電驅(qū)系統(tǒng)可以通過電源設(shè)計頻率的提升，對電機、輸出 THD、散熱及成本等參數(shù)實現(xiàn)優(yōu)化。
電源優(yōu)化器方框圖
高集成的氮化鎵
楊斐表示，氮化鎵由于頻率高，因此開關(guān)的dv/dt、di/dt都是快速切換的，這就給驅(qū)動、PCB布線等設(shè)計帶來了巨大挑戰(zhàn)。
“TI的做法是把氮化鎵的功率器件和驅(qū)動集成在一起，通過優(yōu)化內(nèi)部參數(shù)和驅(qū)動，可以充分發(fā)揮出氮化鎵的優(yōu)勢，用戶無需考慮額外的布局布線問題，同時也可以確保產(chǎn)品一致性。”楊斐解釋道。
LMG2100產(chǎn)品功能圖
根據(jù)TI給出的數(shù)據(jù)，相比于傳統(tǒng)硅，采用集成驅(qū)動的氮化鎵系統(tǒng)可以將PCB面積縮小40%，一方面是通過氮化鎵實現(xiàn)，另外則是通過高集成簡化了驅(qū)動設(shè)計。
除了驅(qū)動之外，TI的氮化鎵產(chǎn)品還集成了諸多保護功能，包括過流、短路、欠壓、電流檢測、過溫保護等等，比如內(nèi)部自舉電源電壓鉗位，可防止 GaN FET 過驅(qū)動。
另外則是TI在封裝上的創(chuàng)新。此次新品，TI采用了雙面冷卻封裝技術(shù)，增強了散熱水平，從而進一步提高了功率密度。
楊斐表示，DC/DC轉(zhuǎn)換模塊商目前都接受了氮化鎵的優(yōu)勢，且正在各類開發(fā)過程中，每個廠家都有獨特的拓撲、優(yōu)化等不同的考量，因此目前對于兼容性的可替換性需求不大，客戶也不需要不同廠商產(chǎn)品的兼容，因此更高集成度的產(chǎn)品是目前客戶最喜歡的方式，可以加速他們的創(chuàng)新過程。
中壓氮化鎵的廣泛應(yīng)用
在TI《GaN 將革新四種中壓應(yīng)用的電子設(shè)計》白皮書中，TI指出了除了業(yè)界已經(jīng)采用的高壓 GaN（額定值 >=600V）外，新的中壓 GaN 解決方案（額定值 80V-200V）也日益受到歡迎，可在高壓 GaN 之前無法支持的電源系統(tǒng)中實現(xiàn)更高的功率密度和效率。
TI例舉了四個中壓氮化鎵潛在的應(yīng)用爆點。包括在太陽能微型逆變器、電源優(yōu)化器中的DC/DC，服務(wù)器中的電源單元（PSU）、中間總線轉(zhuǎn)換器（IBC）、電池備份單元，電信電源以及電機驅(qū)動。
服務(wù)器電源方框圖
另外，包括通用直流/直流轉(zhuǎn)換、D類音頻放大器以及電池測試和化成設(shè)備等場景，都可以充分利用氮化鎵高開關(guān)頻率低功率損耗的特性。比如針對精密伺服系統(tǒng)，氮化鎵可以減少電路尺寸，提高轉(zhuǎn)矩并減少紋波。而對于D類音頻放大器，氮化鎵可以提高工作頻率保持高效率的同時，降低信號的失真度。
而為了充分體現(xiàn)氮化鎵的優(yōu)勢，TI也是一口氣推出了六個參考設(shè)計，涵蓋了方方面面的應(yīng)用。
參考設(shè)計一覽
總結(jié)
手機充電器中正在廣泛使用氮化鎵，這證明了市場對于該產(chǎn)品的接受度越來越高，也越來越意識到其高功率密度的特性。隨著TI等大型電源供應(yīng)商進入中壓市場，相信會有越來越多的功率相關(guān)場景嘗試氮化鎵，其優(yōu)勢也將不止在快充上得以充分體現(xiàn)。
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