GaN為何這么火？如果再有人這么問你，最簡(jiǎn)單的回答即是：因?yàn)槲覀冸x不開電源，并且不斷追求更好的電源系統(tǒng)。

當(dāng)我們談GaN時(shí)你在想什么？ GaN前世今生詳解，請(qǐng)查看以下內(nèi)容

今天，基于GaN器件的快充已在消費(fèi)電子市場(chǎng)站穩(wěn)腳跟。 現(xiàn)在，我們把時(shí)間撥回到1928年。一天，Jonason等人合成了一種Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體材料，也就是GaN。恐怕當(dāng)時(shí)他們?cè)趺匆蚕氩坏剑诮?jīng)歷了將近一個(gè)世紀(jì)不溫不火的狀態(tài)后，今天，GaN這種新型的半導(dǎo)體材料徹底引爆了全球功率器件的革新。 在消費(fèi)電子市場(chǎng)的成功說明了目前整個(gè)GaN行業(yè)的制造工藝和相關(guān)器件的性能得到了充分的驗(yàn)證。在全球進(jìn)軍工業(yè)4.0、中國(guó)新基建開啟征程的時(shí)刻，5G、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、新能源車及充電樁、光伏電網(wǎng)及特高壓、人工智能、云計(jì)算大數(shù)據(jù)中心等，每年要消耗的能源無疑是一個(gè)天文數(shù)字，市場(chǎng)急需更高效和更高密度的電源系統(tǒng)。因此，GaN從幕后站到了前臺(tái)，如果說消費(fèi)電子市場(chǎng)的成功只是小試牛刀，那么工業(yè)4.0，中國(guó)新基建將會(huì)是GaN的封神之路。 GaN為何這么火？究其原因還是在于功率密度的提升，在更小的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)更大的功率，從而以更低的系統(tǒng)成本增強(qiáng)系統(tǒng)功能。提升功率密度的四個(gè)重要方面包括：降低損耗、最優(yōu)拓?fù)浜涂刂七x擇、通過機(jī)電元件集成來減小系統(tǒng)體積以及有效的散熱。 所以本文主要針對(duì)這些方面，從GaN材料的優(yōu)勢(shì)、電源拓?fù)洹⒐δ芗伞⒖煽啃砸约?a target="_blank">產(chǎn)品匹配與應(yīng)用方面加以分析，告訴你GaN器件是如何在電源系統(tǒng)中掀翻傳統(tǒng)Si器件的？ 材料的優(yōu)勢(shì)相對(duì)于Si MOSFET和IGBT器件，GaN器件提供了實(shí)質(zhì)性的改進(jìn)，包括快速開關(guān)時(shí)間、低導(dǎo)通電阻、較低的門極電容（例如，GaN的單位門極電荷小于1nC-Ω，而Si的單位門極電荷為4nC-Ω），這些特性可以實(shí)現(xiàn)更快的導(dǎo)通和關(guān)斷，同時(shí)減少柵極驅(qū)動(dòng)損耗。

圖1

GaN還提供了較低的單位輸出電容（典型的GaN器件的單位輸出電荷為5nC-Ω，而傳統(tǒng)的Si器件為25nC-Ω），這使設(shè)計(jì)人員能夠在不增加開關(guān)損耗的同時(shí)實(shí)現(xiàn)較高的開關(guān)頻率，更高的開關(guān)頻率意味著設(shè)計(jì)人員能夠縮小電源系統(tǒng)中磁性元件的尺寸、重量和數(shù)量。 此外，更低的損耗等同于更高效的電源分布，這減少了發(fā)熱并精簡(jiǎn)了電源的冷卻方案。

電源拓?fù)鋸腉aN器件的特性和優(yōu)勢(shì)來說，最適合的應(yīng)用大多是開關(guān)電源。而在設(shè)計(jì)開關(guān)模式電源時(shí)，主要考慮品質(zhì)因素（FOM）包括成本、尺寸以及效率。但是這三者相互關(guān)聯(lián)又相互掣肘，例如，增加開關(guān)頻率可減小磁性元件的尺寸和成本，但會(huì)增加磁性元件的損耗和功率器件中的開關(guān)損耗。如何才能實(shí)現(xiàn)緊湊且高效的電源拓?fù)洌肯旅嬉砸粋€(gè)基于GaN器件的1kW AC/DC電源方案為例進(jìn)一步說明。

圖2

AC/DC電源的目標(biāo)是要把AC線路電源轉(zhuǎn)化為較低電壓，為手機(jī)或個(gè)人計(jì)算機(jī)等低壓電氣設(shè)備供電或充電，而這通常通過幾個(gè)功率級(jí)實(shí)現(xiàn)。第一級(jí)是典型電源，包括供電AC線路電源，它通過功率因數(shù)校正(PFC)級(jí)產(chǎn)生高壓DC母線；在第二級(jí)，該電壓經(jīng)由DC/DC轉(zhuǎn)換器被轉(zhuǎn)換為低壓（一般是48V或12V）。這兩級(jí)被稱為交直流轉(zhuǎn)換級(jí)。它們一般被部署在一起并提供保護(hù)設(shè)備和人員的隔離措施。第二級(jí)轉(zhuǎn)換器輸出的12V或48V電壓，被分配給位于不同負(fù)載點(diǎn)(POL)的最終使用電路，例如設(shè)備柜內(nèi)的不同電路板；第三級(jí)轉(zhuǎn)換器存在一或多個(gè)直流轉(zhuǎn)換器，可產(chǎn)生電子元件所需的低壓。

那GaN是如何改進(jìn)了PFC級(jí)、高壓DC/DC轉(zhuǎn)換器和POL級(jí)的功率密度？

PFC級(jí)使用高效率圖騰柱拓?fù)洌珿aN的反向恢復(fù)損耗為零，因此非常適合圖騰柱PFC拓?fù)洹Ｅc傳統(tǒng)的雙升壓技術(shù)相比，圖騰柱將功率器件和電感器的數(shù)量減少了40％，從而實(shí)現(xiàn)獨(dú)一無二的高功率密度、高效率和低功耗組合，而類似的基于Si的設(shè)計(jì)卻無法做到這一點(diǎn)。與使用Si的傳統(tǒng)二極管橋式升壓PFC相比，使用GaN的PFC級(jí)的效率超過99％，功耗降低10W以上。

高壓DC/DC級(jí)采用了高效的LLC諧振轉(zhuǎn)換器。雖然在LLC轉(zhuǎn)換器中使用Si是很普遍的，但是 GaN的優(yōu)點(diǎn)在于把功率密度提高了50%，將開關(guān)頻率提升了一個(gè)數(shù)量級(jí)。基于GaN的1-MHz LLC所要求的變壓器尺寸比基于Si的100-kHz LLC的變壓器要小六分之一。

POL級(jí)利用GaN的低功率損耗，可直接實(shí)現(xiàn)高效的48V到1V硬開關(guān)轉(zhuǎn)換器。大多數(shù)Si解決方案需要額外的第四級(jí)將48V轉(zhuǎn)換為12V，但GaN可實(shí)現(xiàn)真正的單級(jí)轉(zhuǎn)換，直接轉(zhuǎn)換為1V。通過這種方式，基于GaN的設(shè)計(jì)可將元件數(shù)量減少一半，并將功率密度提高三倍。雖然本示例我們?nèi)匀皇褂没贕aN的PFC、DC/DC和POL電路，但是它們的實(shí)施或使用的電源拓?fù)溥€是不同的，經(jīng)過優(yōu)化后的電源拓?fù)淇筛蟪潭劝l(fā)揮GaN的性能。

功能集成

同樣是GaN器件，也會(huì)有設(shè)計(jì)難易之分，方案優(yōu)劣之別。先來看兩張圖。一張是分立式GaN器件及其驅(qū)動(dòng)電路，一張是集成了直接驅(qū)動(dòng)的GaN電路。

圖3：分立式GaN器件及其驅(qū)動(dòng)電路

圖4：直接驅(qū)動(dòng)GaN器件電路

表面即可得出的結(jié)論：直接驅(qū)動(dòng)GaN器件可以減少PCB設(shè)計(jì)尺寸，減少外圍電路元器件，降低設(shè)計(jì)難度。那如何理解直接驅(qū)動(dòng)GaN器件？簡(jiǎn)而言之，就是將驅(qū)動(dòng)與GaN器件集成到一個(gè)封裝中，這樣可以最大程度降低寄生電感、降低開關(guān)損耗并優(yōu)化驅(qū)動(dòng)控制。那更深層的意義？同樣，以兩個(gè)典型的基于GaN器件的電路對(duì)比：共源共柵驅(qū)動(dòng)VS直接驅(qū)動(dòng)的電路配置。

圖5

通過兩者電路的對(duì)比分析，我們可以得出使用直接驅(qū)動(dòng)GaN器件電路配置的優(yōu)勢(shì)：

1 更低的Coss，從而降低損耗，在更高開關(guān)頻率下優(yōu)勢(shì)越明顯； 2 沒有反向恢復(fù)Qrr的損耗； 3 硬開關(guān)應(yīng)用中的開關(guān)損耗更低；

4 可通過設(shè)置GaN的充電電流來控制開關(guān)速率； 5 更靈活的電路設(shè)計(jì)，在柵極環(huán)路中增加阻抗抑制寄生諧振，減少電源環(huán)路中的振蕩，從而降低了GaN器件上的電壓應(yīng)力，并減少了硬開關(guān)期間的電磁干擾（EMI）問題。

不僅如此，直接驅(qū)動(dòng)GaN電路在高頻振蕩的表現(xiàn)上也比共源共柵驅(qū)動(dòng)好，下面的仿真波形是以功率器件的Coss和環(huán)路寄生電感為模型，對(duì)比了降壓轉(zhuǎn)換器中開關(guān)節(jié)點(diǎn)振蕩的差異。

圖6：硬開關(guān)操作導(dǎo)致過多高頻振蕩

直接驅(qū)動(dòng)配置具有受控的導(dǎo)通，且過沖很少。而共源共柵驅(qū)動(dòng)由于較高的初始Coss、Qrr和較低的柵極環(huán)路阻抗而具有較大的振蕩和硬開關(guān)損耗。 集成那么多功能？該如何控制封裝的尺寸？在小尺寸的同時(shí)又如何保證優(yōu)異的散熱？這似乎是一個(gè)矛盾因果關(guān)系。 可靠性眾所周知，為開關(guān)電源設(shè)備提供保護(hù)電路非常重要，以防止由于直通、PWM信號(hào)丟失、短路或其它事件而導(dǎo)致的系統(tǒng)級(jí)故障。因?yàn)镚aN是一種高速器件，所以一般情況下需要在外部設(shè)計(jì)高速的檢測(cè)和保護(hù)電路。集成保護(hù)單元的GaN器件在這里就能提供無縫的操作和強(qiáng)大的保護(hù)，比如，TI的LMG3410系列GaN產(chǎn)品，保護(hù)響應(yīng)時(shí)間不到100ns，重點(diǎn)是它不需要外部組件，在提高可靠性的同時(shí)大大降低設(shè)計(jì)難度。

圖7：集成保護(hù)單元的GaN器件硬件系統(tǒng)框圖

產(chǎn)品匹配與應(yīng)用從GaN相比傳統(tǒng)Si的優(yōu)勢(shì)，又到直接驅(qū)動(dòng)GaN電路相比分立式GaN電路的優(yōu)勢(shì)，無不反應(yīng)半導(dǎo)體界的一個(gè)普遍定律，越集成越強(qiáng)大。既然直接驅(qū)動(dòng)GaN有這么強(qiáng)勢(shì)的優(yōu)勢(shì)？那是否有相關(guān)的產(chǎn)品上市了呢？ 其實(shí)細(xì)心的讀者應(yīng)該已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在上文中筆者已經(jīng)透露出了一些直接驅(qū)動(dòng)GaN器件的信息，也就是TI最新推出的LMG3410系列產(chǎn)品。

圖8

TI LMG3410系列GaN器件集成驅(qū)動(dòng)器可實(shí)現(xiàn)>100V/ns的開關(guān)速度，與分立的GaN FET相比，損耗降了一半。結(jié)合TI的低電感封裝，可以在每種電源應(yīng)用中提供干凈的開關(guān)技術(shù)和更小的振蕩。其它功能包括可調(diào)節(jié)的EMI控制驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度，強(qiáng)大的過流保護(hù)和過熱保護(hù)功能，可優(yōu)化BOM成本、PCB尺寸和面積。 除了驅(qū)動(dòng)和保護(hù)單元的集成，LMG3410系列GaN器件的可靠性也得到充分得驗(yàn)證，具有超過 3,000萬小時(shí)的器件可靠性測(cè)試，10年內(nèi)FIT率低于1。除了固有的可靠性測(cè)試外，TI同樣在實(shí)際應(yīng)用中對(duì)GaN進(jìn)行了最苛刻的硬開關(guān)應(yīng)力測(cè)試，并可靠地轉(zhuǎn)換了超過3GWHrs的能量。 另一方面，LMG3410系列GaN器件利用了TI現(xiàn)有的工藝技術(shù)，提供了一些固有的供應(yīng)鏈并降低了成本。與在SiC或藍(lán)寶石等非Si襯底上構(gòu)建的其它技術(shù)不同，TI的GaN-on-silicon工藝?yán)肨I 100％內(nèi)部設(shè)備進(jìn)行制造，組裝和測(cè)試，從而利用內(nèi)部資源持續(xù)改善產(chǎn)品質(zhì)量。 除了LMG3410系列GaN器件本身的優(yōu)異性，更重要的是TI實(shí)行“授人以魚不如授人以漁”的方針，提供了全面的GaN器件解決方案，并且不斷在更新&開發(fā)新應(yīng)用領(lǐng)域方案，所以你拿到的不僅僅是一個(gè)器件，更是一站式的全套服務(wù)。

寫在最后GaN的應(yīng)用可以說是無處不在，文中提到的AC/DC電源只不過是GaN器件應(yīng)用的冰山一角，我們可以在想得到的任何需要提升效率和功率密度的場(chǎng)景下使用GaN解決方案。比如在電機(jī)控制領(lǐng)域，GaN可以提高PWM頻率并降低開關(guān)損耗，這有助于驅(qū)動(dòng)極低電感的永久磁性和無刷直流電機(jī)，這些特性還使轉(zhuǎn)矩波動(dòng)更小化，從而在伺服驅(qū)動(dòng)器和步進(jìn)器中實(shí)現(xiàn)精確定位，支持高速電機(jī)在無人機(jī)等應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)高電壓；在LiDAR應(yīng)用中，GaN的低輸入和高電容特性，使LiDAR以更短脈沖實(shí)現(xiàn)了更高的峰值輸出光功率，這在提高成像分辨率的同時(shí)保護(hù)了眼睛的安全；在高保真音響應(yīng)用中，GaN能在高壓擺率下高效開關(guān)，并且開關(guān)行為可預(yù)測(cè)性較高，極大減少了諧波失真，實(shí)現(xiàn)了更理想的音響性能，將噪音限制在更高的不可聽的頻帶內(nèi)。 以上案例無一不在說明GaN正在改變行業(yè)，從電路的本質(zhì)來說，要使用GaN技術(shù)不是簡(jiǎn)單的加減法，不是換個(gè)器件而已，但是，在選擇方案時(shí)如果選擇像LMG3410這種提供現(xiàn)成GaN全套解決方案的，那使用GaN就如同換顆已經(jīng)驗(yàn)證過的代替料那么簡(jiǎn)單。現(xiàn)在，無需質(zhì)疑GaN的種種優(yōu)勢(shì)，它正在向更多的電源應(yīng)用領(lǐng)域滲透，而工業(yè)4.0和新基建將會(huì)成為GaN的封神之路。

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