一文詳解PowiGaN、硅和SiC性能比較

Power Integrations推出具有里程碑意義的1250V氮化鎵開關(guān)IC前不久，集邦咨詢發(fā)布2022年氮化鎵（GaN）主要廠商出貨量排名，數(shù)據(jù)顯示Power Integrations（PI）以20%的市占率在2022年全球GaN功率半導(dǎo)體市場排名第一。這與PI的GaN發(fā)展策略和產(chǎn)品布局不無關(guān)系。

日前，PI發(fā)布全球首顆額定耐壓最高的單管GaN電源IC。關(guān)于這款產(chǎn)品以及產(chǎn)品背后的技術(shù)背景，PI技術(shù)培訓(xùn)經(jīng)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(guān)技術(shù)，強化了公司在高壓GaN技術(shù)領(lǐng)域的持續(xù)領(lǐng)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(guān)是PI恒壓/恒流準諧振離線反激式開關(guān)IC產(chǎn)品系列。它采用同步整流和FluxLink 磁感耦合技術(shù)替代傳統(tǒng)光耦，并具有豐富的開關(guān)選項，高度集成的開關(guān)IC集成了功率開關(guān)、保護、反饋和同步整流，可以穩(wěn)定輸出電壓和電流，提升整體電源效率。

在此之前，PI產(chǎn)品包括725V硅開關(guān)、1700V碳化硅（SiC）開關(guān)及其他衍生的750V、900V產(chǎn)品，現(xiàn)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(yīng)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(guān)涵蓋硅、GaN和SiC，硅開關(guān)包括650V、750V和900V；SiC開關(guān)是1700V；繼今年3月發(fā)布了900V的GaN器件之后，PI最新發(fā)布的也是一款耐壓達1250V的GaN器件。

據(jù)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(shè)計；可在待機模式下為負載提供更大的功率，有利于實現(xiàn)高度緊湊的反激式電源設(shè)計，減小系統(tǒng)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(yè)類電壓、美規(guī)277VAC三相電供電的室外照明應(yīng)用，以及某些電網(wǎng)不穩(wěn)定環(huán)境的應(yīng)用。

具體講，在典型反激式應(yīng)用中，725V產(chǎn)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(huán)境，客戶可以選擇不同的功率開關(guān)，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?guī)缀跻押w450V-1250V的整個母線電壓范圍，解決了使用1700V產(chǎn)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(xiàn)1700V SiC開關(guān)的替代。隨著未來汽車級認證產(chǎn)品的推出，勢必會使GaN產(chǎn)品得到更廣泛的應(yīng)用。

涵蓋Si、GaN或SiC的InnoSwitch3系列初級開關(guān)

1250V GaN有更大的電壓裕量。對于480VAC輸入的應(yīng)用，在主功率開關(guān)管關(guān)斷后，通常反激式應(yīng)用的開關(guān)管兩端會呈現(xiàn)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(guān)管額定電壓有極大的裕量。對于以MOS管作為主功率開關(guān)管的設(shè)計，當(dāng)其兩端電壓一旦超過上面的安全雷擊電壓區(qū)域就會炸掉，而GaN開關(guān)器件的優(yōu)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(dǎo)通電阻的漂移，不會造成器件的絕緣破壞，產(chǎn)生不可逆的永久損傷。在輸入電壓為480VAC、輸出為60W的滿載應(yīng)用條件下，此時母線電壓可達680VDC，而對于GaN開關(guān)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(wěn)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(yè)降額標準，在使用新款這款1250V IC時，設(shè)計人員可以放心地設(shè)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(wǎng)波動、浪涌及其他電力擾動，滿足具有挑戰(zhàn)性電網(wǎng)環(huán)境的應(yīng)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(gòu)，它是將上下兩個管子串聯(lián)，在上面的GaN下串聯(lián)一個低壓MOS管。據(jù)說，目前市場上只有兩家廠商采用這種架構(gòu)，而批量供貨的只有PI。

封裝方面，PI利用多芯片模塊技術(shù)將所有的晶圓封裝在一個封裝當(dāng)中，然后內(nèi)部通過鍵合線進行互連，通過精確控制驅(qū)動器尺寸和走線電感優(yōu)化了開關(guān)性能，并在內(nèi)部加強了對GaN開關(guān)器件的保護，從而保證產(chǎn)品的高可靠性。

共源共柵架構(gòu)優(yōu)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(tài)，如果不加信號，GaN始終處于導(dǎo)通狀態(tài)。要使GaN變成常開，就要加p摻雜偏置層，有可能增加風(fēng)險。PI的GaN器件是通過串聯(lián)一個低壓MOS管來實現(xiàn)了功率器件的常開狀態(tài)。

共源共柵消除了柵極驅(qū)動的挑戰(zhàn)

Jason Yan指出：“MOS管是非常成熟的技術(shù)，無論是保護還是驅(qū)動；而且柵極不需要E-mode的負壓驅(qū)動，簡化了驅(qū)動電路，同時可防止發(fā)生誤開通現(xiàn)象。而E-mode要滿足更高的驅(qū)動電壓裕量以保證可靠性，就需要降低驅(qū)動電壓。這樣會導(dǎo)致器件本身的導(dǎo)通電阻變大，這樣就犧牲了GaN器件低導(dǎo)通電阻的優(yōu)勢。”

利用Cascode，PI最大限度提高了PowiGaN 的性能，解決了柵極驅(qū)動的挑戰(zhàn)，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(guān)就會進入雪崩區(qū)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(xiàn)導(dǎo)通電阻的漂移，而一旦電壓回到正常狀態(tài)，它也會自行恢復(fù)，不會造成永久擊穿。對于750V的 PowiGaN 開關(guān)只有電壓超過1400V才會出現(xiàn)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(guān)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(dǎo)通電阻（Rds(on)）為0.44Ω的1250V器件為例，PI對自己的硅、SiC開關(guān)與PowiGaN 開關(guān)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(shù)的效率表現(xiàn)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(xiàn)，看GaN對整個電源性能產(chǎn)生了哪些影響。

硅、SiC與PowiGaN 開關(guān)性能比較

可以看到，隨著輸入電壓提高，硅開關(guān)在650V、725V和900V不同輸入電壓的效率出現(xiàn)逐漸下降。

硅開關(guān)的效率隨輸入電壓增加而下降

電源最關(guān)鍵的參數(shù)是低壓條件下的溫升表現(xiàn)，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(guān)方案，1250V GaN的低壓區(qū)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(dāng)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(guān)損耗是由輸出電容（Coss）的儲能產(chǎn)生的，MOS管開通后，Coss儲存的能量會釋放掉，導(dǎo)致開關(guān)損耗。輸入電壓越高，開關(guān)電壓越高，損耗也越高。對于某個應(yīng)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(guān)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(dǎo)通損耗也會相應(yīng)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(guān)系，需要在導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗之間尋求平衡。采用GaN技術(shù)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(guān)損耗降至同等硅開關(guān)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(yīng)用中PowiGaN 開關(guān)優(yōu)于MOSFET

比較表明，相對同等耐壓的硅，1250V PowiGaN 具有性能上的優(yōu)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(dǎo)體器件的SiC同樣具有更高的效率，能夠?qū)崿F(xiàn)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(chǎn)品的推廣應(yīng)用，PI提供一系列的支持，其中12V、6A反激變換器的參考設(shè)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(shù)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(huán)境應(yīng)用選擇不同功能的開關(guān)。

“GaN并不適用所有的應(yīng)用環(huán)境，比如在某些應(yīng)用中要求漏電流小、開關(guān)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(yīng)用，就體現(xiàn)不出GaN低導(dǎo)通電阻的優(yōu)勢，所以要根據(jù)不同應(yīng)用選擇不同的開關(guān)技術(shù)。”他說。

第三，可以在不同功率水平、不同電壓應(yīng)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(tǒng)性能的選擇范圍，一直是行業(yè)的發(fā)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(yīng)鏈問題，生產(chǎn)過程不像SiC那么復(fù)雜，成本也會繼續(xù)下降。

他最后強調(diào)，PI的賣點是價值。除了通過自己產(chǎn)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(chǎn)品的品牌價值。未來，PI還會推出更高耐壓的GaN產(chǎn)品，并致力于將GaN的效率優(yōu)勢擴展到更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，包括目前已經(jīng)使用SiC技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。PowiGaN產(chǎn)品的未來，值得我們?nèi)テ诖?/p>

編輯：黃飛

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