GaN為什么這么火？

“GaN 為何這么火？”如果再有人這么問你。
最簡單的回答：“因為我們離不開電源，并且我們不斷追求更好的電源系統(tǒng)！”

今天，基于 GaN 器件的快充已在消費電子市場站穩(wěn)腳跟。

現(xiàn)在，我們把時間撥回到 1928 年。一天，Jonason 等人合成了一種Ⅲ-Ⅴ族化合物半導體材料，也就是 GaN?？峙庐敃r他們怎么也想不到，在經歷了將近一個世紀不溫不火的狀態(tài)后，今天，GaN 這種新型的半導體材料徹底引爆了全球功率器件的革新。

在消費電子市場的成功說明了目前整個 GaN 行業(yè)的制造工藝和相關器件的性能得到了充分的驗證。在全球進軍工業(yè) 4.0、中國新基建開啟征程的時刻，5G、工業(yè)互聯(lián)網、新能源車及充電樁、光伏電網及特高壓、人工智能、云計算大數(shù)據中心等，每年要消耗的能源無疑是一個天文數(shù)字，市場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，如果說消費電子市場的成功只是小試牛刀，那么工業(yè) 4.0，中國新基建將會是 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（什么是功率密度？可以參考技術文章：功率密度基礎技術簡介），在更小的空間內實現(xiàn)更大的功率，從而以更低的系統(tǒng)成本增強系統(tǒng)功能。提升功率密度的四個重要方面包括：降低損耗、最優(yōu)拓撲和控制選擇、通過機電元件集成來減小系統(tǒng)體積以及有效的散熱。

所以本文主要針對這些方面，從 GaN 材料的優(yōu)勢、電源拓撲、功能集成、可靠性以及產品匹配與應用方面加以分析，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

相對于 Si MOSFET 和 IGBT 器件，GaN 器件提供了實質性的改進，包括快速開關時間、低導通電阻、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），這些特性可以實現(xiàn)更快的導通和關斷，同時減少柵極驅動損耗。

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），這使設計人員能夠在不增加開關損耗的同時實現(xiàn)較高的開關頻率，更高的開關頻率意味著設計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)熱并精簡了電源的冷卻方案。

電源拓撲

從 GaN 器件的特性和優(yōu)勢來說，最適合的應用大多是開關電源。而在設計開關模式電源時，主要考慮品質因素（FOM）包括成本、尺寸以及效率。但是這三者相互關聯(lián)又相互掣肘，例如，增加開關頻率可減小磁性元件的尺寸和成本，但會增加磁性元件的損耗和功率器件中的開關損耗。如何才能實現(xiàn)緊湊且高效的電源拓撲？下面以一個基于 GaN 器件的 1kW AC/DC 電源方案為例進一步說明。

AC/DC 電源的目標是要把 AC 線路電源轉化為較低電壓，為手機或個人計算機等低壓電氣設備供電或充電，而這通常通過幾個功率級實現(xiàn)。第一級是典型電源，包括供電 AC 線路電源，它通過功率因數(shù)校正(PFC)級產生高壓 DC 母線；在第二級，該電壓經由 DC/DC 轉換器被轉換為低壓（一般是 48 V 或 12 V）。這兩級被稱為交直流轉換級。它們一般被部署在一起并提供保護設備和人員的隔離措施。第二級轉換器輸出的 12 V 或 48 V 電壓，被分配給位于不同負載點(POL)的最終使用電路，例如設備柜內的不同電路板；第三級轉換器存在一或多個直流轉換器，可產生電子元件所需的低壓。

那 GaN 是如何改進了 PFC 級、高壓 DC/DC 轉換器和 POL 級的功率密度？

PFC 級使用高效率圖騰柱拓撲，GaN 的反向恢復損耗為零，因此非常適合圖騰柱 PFC 拓撲。與傳統(tǒng)的雙升壓技術相比，圖騰柱將功率器件和電感器的數(shù)量減少了 40％，從而實現(xiàn)獨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 的設計卻無法做到這一點。與使用 Si 的傳統(tǒng)二極管橋式升壓 PFC 相比，使用 GaN 的 PFC 級的效率超過 99％，功耗降低 10W 以上。

高壓 DC/DC 級采用了高效的 LLC 諧振轉換器。雖然在 LLC 轉換器中使用 Si 是很普遍的，但是 GaN 的優(yōu)點在于把功率密度提高了 50%，將開關頻率提升了一個數(shù)量級?；?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 級利用 GaN 的低功率損耗，可直接實現(xiàn)高效的 48 V 到 1 V 硬開關轉換器。大多數(shù) Si 解決方案需要額外的第四級將 48 V 轉換為 12 V，但 GaN 可實現(xiàn)真正的單級轉換，直接轉換為 1 V。通過這種方式，基于 GaN 的設計可將元件數(shù)量減少一半，并將功率密度提高三倍。雖然本示例我們仍然使用基于 GaN 的 PFC、DC/DC 和 POL 電路，但是它們的實施或使用的電源拓撲還是不同的，經過優(yōu)化后的電源拓撲可更大程度發(fā)揮 GaN 的性能。

功能集成

同樣是 GaN 器件，也會有設計難易之分，方案優(yōu)劣之別。。

如何理解直接驅動 GaN 器件？

簡而言之，就是將驅動與 GaN 器件集成到一個封裝中，這樣可以最大程度降低寄生電感、降低開關損耗并優(yōu)化驅動控制。

那更深層的意義？

同樣，以兩個典型的基于 GaN 器件的電路對比：共源共柵驅動 VS. 直接驅動的電路配置。

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

更低的 Coss，從而降低損耗，在更高開關頻率下優(yōu)勢越明顯；

沒有反向恢復 Qrr 的損耗；

硬開關應用中的開關損耗更低；

可通過設置 GaN 的充電電流來控制開關速率；

更靈活的電路設計，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 器件上的電壓應力，并減少了硬開關期間的電磁干擾（EMI）問題。

不僅如此，直接驅動 GaN 電路在高頻振蕩的表現(xiàn)上也比共源共柵驅動好，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，對比了降壓轉換器中開關節(jié)點振蕩的差異。

硬開關操作導致過多高頻振蕩

直接驅動配置具有受控的導通，且過沖很少。而共源共柵驅動由于較高的初始 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？在小尺寸的同時又如何保證優(yōu)異的散熱？這似乎是一個矛盾因果關系。

可靠性

眾所周知，為開關電源設備提供保護電路非常重要，以防止由于直通、PWM 信號丟失、短路或其它事件而導致的系統(tǒng)級故障。因為 GaN 是一種高速器件，所以一般情況下需要在外部設計高速的檢測和保護電路。集成保護單元的 GaN 器件在這里就能提供無縫的操作和強大的保護，比如，TI 的 LMG3410 系列 GaN 產品，保護響應時間不到 100ns，重點是它不需要外部組件，在提高可靠性的同時大大降低設計難度。

產品匹配與應用

從 GaN 相比傳統(tǒng) Si 的優(yōu)勢，又到直接驅動 GaN 電路相比分立式 GaN 電路的優(yōu)勢，無不反應半導體界的一個普遍定律，越集成越強大。既然直接驅動 GaN 有這么強勢的優(yōu)勢？那是否有相關的產品上市了呢？

其實細心的讀者應該已經發(fā)現(xiàn)，在上文中筆者已經透露出了一些直接驅動 GaN 器件的信息，也就是 TI 最新推出的 LMG3410 系列產品。

TI LMG3410 系列 GaN 器件集成驅動器可實現(xiàn)> 100 V / ns 的開關速度，與分立的 GaN FET 相比，損耗降了一半。結合 TI 的低電感封裝，可以在每種電源應用中提供干凈的開關技術和更小的振蕩。其它功能包括可調節(jié)的 EMI 控制驅動強度，強大的過流保護和過熱保護功能，可優(yōu)化 BOM 成本、PCB 尺寸和面積。

除了驅動和保護單元的集成，LMG3410 系列 GaN 器件的可靠性也得到充分得驗證，具有超過 3,000 萬小時的器件可靠性測試，10 年內 FIT 率低于 1。除了固有的可靠性測試外，TI 同樣在實際應用中對 GaN 進行了最苛刻的硬開關應力測試，并可靠地轉換了超過 3 GWHrs 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，提供了一些固有的供應鏈并降低了成本。與在 SiC 或藍寶石等非 Si 襯底上構建的其它技術不同，TI 的 GaN-on-silicon 工藝利用 TI 100％內部設備進行制造，組裝和測試，從而利用內部資源持續(xù)改善產品質量。

除了 LMG3410 系列 GaN 器件本身的優(yōu)異性，更重要的是 TI 實行“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)新應用領域方案，所以你拿到的不僅僅是一個器件，更是一站式的全套服務。

小結

GaN 的應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景下使用 GaN 解決方案。比如在電機控制領域，GaN 可以提高 PWM 頻率并降低開關損耗，這有助于驅動極低電感的永久磁性和無刷直流電機，這些特性還使轉矩波動更小化，從而在伺服驅動器和步進器中實現(xiàn)精確定位，支持高速電機在無人機等應用中實現(xiàn)高電壓；在 LiDAR 應用中，GaN 的低輸入和高電容特性，使 LiDAR 以更短脈沖實現(xiàn)了更高的峰值輸出光功率，這在提高成像分辨率的同時保護了眼睛的安全；在高保真音響應用中，GaN 能在高壓擺率下高效開關，并且開關行為可預測性較高，極大減少了諧波失真，實現(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。

以上案例無一不在說明 GaN 正在改變行業(yè)，從電路的本質來說，要使用 GaN 技術不是簡單的加減法，不是換個器件而已，但是，在選擇方案時如果選擇像 LMG3410 這種提供現(xiàn)成 GaN 全套解決方案的，那使用 GaN 就如同換顆已經驗證過的代替料那么簡單。現(xiàn)在，無需質疑 GaN 的種種優(yōu)勢，它正在向更多的電源應用領域滲透，而工業(yè) 4.0 和新基建將會成為 GaN 的封神之路。

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審核編輯 黃昊宇