借力硅基氮化镓 TI如何拿下新一代“汽车+工业”战场？

       电气化和高功率，如今已成全球半导体应用市场的主流诉求。为此，各半导体器件大厂们都争相研发第三代全新半导体器件，以疯狂抢食海量应用场景份额。譬如汽车领域，如今的消费者越来越需要充电更快、续航里程更远的车辆。而在工业设计中，这些新器件可在更低功耗和更小电路板空间占用的情况下，在AC/DC电力输送应用（例如超大规模的企业计算平台以及5G电信整流器）中实现更高的效率和功率密度。

　　德州仪器高压电源解决方案副总裁Steve Lambouses在接受记者采访时表示：“工业和汽车应用日益需要在更小的空间内提供更多的电力，设计人员必须提供能在终端设备长久的生命周期内可靠运行的电源管理系统。凭借超过4,000万个小时的器件可靠性测试和超过5 GWh的功率转换应用测试，TI的GaN技术为工程师提供了能满足任何市场需求的可靠的全生命周期保障。”

　　实际上，从十年前，TI就已经开始研发GaN，“从研发开始我们就意识到GaN会在未来成为非常重要的科技，我们认为GaN会在工业、电信、以及个人电子消费品、企业的电源中会有非常广阔的应用，因为这些领域需要非常高的功率密度，并且对可靠性的要求也非常高。我们针对这些需求开始在TI内部研发相应解决方案，以保证开发产品的质量与可靠性。我们在研发出自己的硅基氮化镓后与工业上伙伴紧密合作，例如TI与西门子推出了首个10千瓦连接云电网的转换器。同时，我们也在氮化镓上完成了超过4000万小时的可靠性测试。”德州仪器高压电源应用产品业务部氮化镓功率器件产品线经理Steve Tom表示。

　　TI的GaN究竟有多强？

　　如今，各类高电压、高密度应用中，电路板空间最小化已经成为设计中的重要目标。随着电子系统变得越来越小，其内部组件也必须不断缩小并更加紧凑。德州仪器高压电源应用产品业务部应用工程师张奕驰告诉记者：“TI的新型GaN FET集成了快速开关驱动器以及内部保护和温度感应功能，使工程师能够在电源管理设计中减小电路板尺寸、降低功耗的同时实现高性能。这种集成再加上TI GaN技术的高功率密度，使工程师能够在通常的离散解决方案中减少10多个组件。此外，在半桥配置中应用时，每个新型30mΩ FET均可支持高达4 kW的功率转换。”

　　与现有的Si或SiC解决方案相比，使用TI的新型车用GaN FET可将电动汽车（EV）车载充电器和DC/DC转换器的尺寸减少多达50%，从而使工程师能够延长电池续航，提高系统可靠性并降低设计成本。

　　TI首个汽车等级的GaN，在产品质量、可靠性和成本上都优势巨大。Steve Tom透露：“得益于TI GaN集成的一些优势，我们可以将功率密度增加到非常大，能够提供大于150V/ns和大于2.2MHz的业界更快切换速度。高压摆率和高切换速度能够将电路中的磁元件减少的更小，通过集成可以将功率磁元件体积减少59%，以及减少十多个组件需求。”

　　此外，集成的驱动就像芯片的大脑一样，也可以给器件增加一些额外的功能。Steve Tom举例道：“比如TI的智能死区自适应功能，就可以减少设备在死区的时间，从而将PFC中第三项象限损耗降低了66%。智能死区自适应是我们集成的一个全新功能，通过智能死区自适应，GaN可以根据负载电流自动调节死区时间，实现效率最大化。而且封装技术同样重要，TI采用了极具创新性的12×12 QFN封装。对比其他水平接近的友商来说，我们提供的技术能够减少23%的热阻抗。另外，集成驱动让我们可以控制可靠性、成本、以及产品的质量。”

　　“汽车+工业”市场双箭齐发

　　本次，TI同时面向工业和汽车市场，推出了两款针对性的GaN解决方案。第一款产品是LMG3525R030-Q1，它是650-V汽车GaN FET，具有集成驱动器和保护功能。

　　对于转换器来说，通过使用GaN可以提升汽车的充电速度及驾驶里程。此外，车载充电器可以得到更高的效率和更轻的重量。与现有的硅基和碳化硅方案相比，Steve Tom表示：“该产品可以减小车载充电器50%的体积，这得益于高达2.2-MHz的切换频率和集成驱动所发挥的优势。另外，集成驱动的优势对比起离散的解决方案，这种方案没法达到我们如此高速的切换频率以及如此大的压摆率。这款产品是面向未来的，我们预测这些优势可以为汽车带来更快的充电时间，更高的可靠性以及更低的成本。所以，这些可以在系统长期稳定性、可靠性方面，为汽车解决方案提供很大的优势。”

　　在具体板级性能方面，张奕驰对记者介绍：“这块评估板用了两块LMG3525 30mΩ GaN FET并在半桥中配置了所有必需的偏置电路和逻辑/功率电平转换功能。还有一点非常重要的是，这块评估板可以转换高达5000瓦的功率。我个人也针对这款评估板进行了一些测量，这款评估板可以从顶部进行冷却，在这张图里可以看到，我们使用了一个散热板，同样也可以使用其他冷却液来冷却顶部的集成电路。如果通过散热板，可以取得高达5000瓦，通过冷却液可以高达到6000-7000瓦的功率等级，再加上这块评估板上有很多可以测量的点，方便测量压摆率和实现非常高的开关频率。这款的设计配置为具有插座式外部连接，可轻松与外部功率级连接。”

　　而本次TI发布的第二款产品LMG3425R030，专门针对工业市场，不过同样适配汽车充电桩这类应用。据记者了解，这款元器件的优势在于功率密度的加倍，并能实现99%的效率，在类似于图腾柱PFC中可以做广泛的应用。

　　这款LMG3425可以在工业中具有非常广泛的应用，比如在5G、电信、服务器等方面，电源的AC/DC转换中可以有非常广泛的应用。Steve Tom指出：“通常，在传统的应用中，在非常高的效率、功率密度以及非常低的成本中必须要有所取舍。但是，GaN可以达到99%的效率，同时也可以在成本方面非常具有竞争力。其中，集成化设计可以进行热监测，在过温的时候进行保护，同样在集成驱动中也可以监测电流。在过流或者短路的时候，我们的GaN FET可以启动自我保护。”

　　当然，这款产品也同样推出了评估板，集成了两个FET在一个半桥模式下。据悉这款产品是从底部进行冷却，可获取高达4000瓦的效率，而且同样配置有插座式外部连接，可轻松与外部功率级连接，可以非常方便的设计在现有的产品中，体现了TI一贯以来的高效便捷化设计理念。