今天，在功率電子領域，氮化鎵（GaN）正在取代硅（Si）器件，成為越來越多大功率密度、高能效應用場景中的主角。

這一重要的技術迭代之所以會發(fā)生，根本的原因在于GaN作為第三代寬禁帶半導體材料，具有Si材料無可比擬的性能優(yōu)勢，用它打造的功率電子器件具有更高的工作電壓、更高的開關頻率、更低的導通電阻、更高的效率、更緊湊的外形等特點，可以突破傳統(tǒng)Si基器件的性能瓶頸，將功率電子技術帶入一個新紀元。另一方面，仔細觀察后我們會發(fā)現(xiàn)，隨著技術和工藝上的不斷進步，很多先前橫亙在GaN商用之路上的障礙正在逐漸被克服，這也是近年來GaN技術和應用快速發(fā)展的重要驅動力。

突破GaN技術應用的瓶頸

具體來講，較高的成本、有限的應用和不夠完善的技術生態(tài)——這三個曾經被認為是制約GaN廣泛應用的瓶頸，現(xiàn)在正在被突破。

與成熟的Si基器件相比，成本一直是GaN器件商用進程中的“攔路虎”。但隨著GaN器件應用的深化，越來越多的開發(fā)者意識到：盡管從芯片層面對比，GaN器件仍然比Si基器件貴，但從系統(tǒng)層面考量，GaN器件的應用則可以在系統(tǒng)成本相當?shù)那闆r下，顯著提升系統(tǒng)性能，為用戶帶來更高的投資回報。

例如，在100兆瓦數(shù)據(jù)中心中，使用基于GaN的電源管理系統(tǒng)，即使效率僅增加0.8%，也能在10年間節(jié)約700萬美元的能源成本——這些節(jié)省的電力足夠80,000個家庭使用一年。在系統(tǒng)設計層面上，GaN器件的高效率帶來的磁性元件和風扇等散熱組件尺寸的減小，也有助于降低PSU系統(tǒng)整體成本。此外，由于GaN器件的制造工藝可與Si基半導體工藝兼容，因此其未來降本的空間也更值得期待。 從應用場景上看，GaN器件近年來也找到了不少規(guī)模可觀的目標應用，逐漸確立了穩(wěn)固的市場根基。比如，憑借出眾的性價比，GaN器件已經成功殺入消費級市場，成為中高端充電頭中的主流技術。可靠性的提升，也使得GaN器件得以在光伏新能源系統(tǒng)等要求嚴苛的應用中落地——Si器件在可靠性上通常符合ESD22、JESD47、AEC-Q100、IEC 61000-4-5、VDE0884-11等標準，而GaN器件在此基礎上，還滿足JEP173、JEP182、JEP122、JEP180等更為嚴格的可靠性標準要求。GaN器件應用領域的拓展和市場規(guī)模的擴大，反過來也會拉動GaN技術的長足進步。 成熟的技術生態(tài)，曾經被認為是Si基功率器件抵御GaN技術挑戰(zhàn)的“護城河”，不過如今這樣的壁壘正在隨著GaN不斷提升的性能（如零Qrr、低Coss、低Qg、更高的開關頻率、比同類封裝中Si器件更低的RDSon等），以及日趨完善的技術生態(tài)，逐漸被削弱。一個明顯的例子，就是GaN專用柵極驅動器的發(fā)展。

眾所周知，GaN功率器件具有獨特的結構和電學特性，想要在系統(tǒng)設計中實現(xiàn)出色的性能，需要與之配套的專門優(yōu)化的柵極驅動器的支撐，比如：

GaN器件通常閾值電壓較低，且柵極電容具有非線性的特性，要求柵極驅動器具備更高的電壓精度控制能力。

GaN器件柵極電容較小且隨電壓變化明顯，要求柵極驅動器能夠提供快速的充放電電流，以確保器件在納秒級時間內完成開關動作，減少開關損耗。

GaN器件在高頻開關過程中會產生較強的EMI噪聲，要求柵極驅動器具備良好的抗干擾能力，以保證驅動的信號完整性。

這些挑戰(zhàn)使得GaN技術在發(fā)展初期，面臨著柵極驅動器“一芯難求”的困境。不過經過業(yè)界多年的努力，隨著越來越多GaN專用柵極驅動器產品的面市，這樣的困境已經不復存在。

特別值得一提的是，為了進一步提升性能和易用性，集成驅動器解決方案——即將驅動器和GaN FET集成在一個器件中——也獲得了長足的發(fā)展。比如，Texas Instruments（以下簡稱TI）通過在芯片中集成柵極驅動器和相關保護功能，推出了獨具特色的、高集成的GaN功率級產品，進一步簡化了GaN應用設計，便于開發(fā)者更大程度地利用GaN的技術優(yōu)勢，為更廣泛的功率電子應用賦能。

以新能源應用為例，TI的集成式GaN功率級有助于減少分立的驅動器以及外部傳感器和保護電路所占用的空間，實現(xiàn)更緊湊的系統(tǒng)設計，在光伏和風力發(fā)電以及儲能系統(tǒng)中，為AC/DC整流、DC/AC逆變以及雙向DC/DC轉換等應用提供更小、更高效、更可靠的電源管理解決方案，打造靈活可擴展的能源基礎設施。

具體來講，TI的GaN功率器件為新能源系統(tǒng)設計帶來的優(yōu)勢包括：

比現(xiàn)有AC/DC和DC/DC轉換器的功率密度高3倍（>1.2kW/L）,且重量更輕。

與SiC FET相比，提供高達140kHz快速開關性能，將功率密度提高了20%。

GaN器件更高的開關頻率，允許采用較低成本的磁性元件，有利于總體系統(tǒng)成本的優(yōu)化。

圖1：集成式GaN功率級適用于光伏和儲能等高能效、高可靠電源系統(tǒng)（圖源：Texas Instruments）

集成驅動器的GaN功率級

在傳統(tǒng)的GaN系統(tǒng)解決方案中，GaN FET和柵極驅動器是兩顆分立的器件，這主要是因為兩者是基于不同的工藝制造的，集成在一起并不容易。

然而，由于GaN FET的開關速度比Si-MOSFET要快很多，采用分立方案時，兩個在不同封裝中的器件彼此間的焊線和引線會產生寄生電感，當GaN FET以每納秒數(shù)十到幾百伏的高壓擺率進行開關操作時，這些寄生電感會導致開關損耗、振鈴和可靠性等一系列問題。

而如果將GaN FET與柵極驅動器集成在一個封裝內，則可以消除共源電感，并極大地降低驅動器輸出與GaN FET柵極之間的電感，以及驅動器接地中的電感，進而優(yōu)化開關性能。加之在這個“整合”的過程中，還可以集成相關的保護功能，有利于進一步簡化BOM，降低系統(tǒng)成本。

圖2：GaN器件+柵極驅動器分立式方案(a)與集成式方案(b)的比較（圖源：Texas Instruments）

正是基于這樣的考量，加之自身在混合IC領域深厚的技術積累，Texas Instruments選擇了集成式的GaN功率級作為主攻方向，并推出了豐富的產品組合，滿足日益多樣化的GaN應用所需。

這些集成式GaN功率級產品，覆蓋從80V到650V電壓范圍，支持超過1-20kW的功率電子應用，并提供單管驅動的方案和雙管驅動的半橋拓撲，且在根據(jù)市場的發(fā)展不斷擴展。

圖3：TI集成式GaN功率級產品組合（圖源：Texas Instruments）

賦能可擴展的GaN應用

簡而言之，集成驅動是TI GaN器件的特色，集成驅動器的GaN功率級產品，有助于消除柵極環(huán)路中電路寄生耦合導致的柵極噪聲和開關損耗，顯著提升GaN系統(tǒng)的性能并簡化系統(tǒng)設計。下文中，我們就一起來深入了解TI集成驅動器的GaN功率級中幾款優(yōu)秀產品。

LMG3100R0x集成驅動器GaN FET

該系列產品集成有1.7mΩ（LMG3100R017）或4.4mΩ（LMG3100R044）GaN FET和驅動器，具有100V連續(xù)/120V脈沖電壓額定值，并帶有高側電平移位器和自舉電路，柵極驅動器開關頻率可達10MHz。該器件還具有內置電源軌欠壓鎖定（UVLO）保護和內部自舉電源電壓鉗位能力，以防止過驅（>5.4V）。在應用開發(fā)時，可以使用兩個LMG3100R0x器件形成半橋拓撲，無需外部電平移位器。

圖4：LMG3100R0x集成驅動器GaN FET（圖源：Texas Instruments）

LMG3100R0x采用頂部散熱的QFN封裝，器件底部也有大面積焊盤，實現(xiàn)了很好的熱性能。綜合上述特性，這是一款導通電阻低至1.7mΩ、面向>1kW高頻、高效電源管理系統(tǒng)的理想GaN解決方案，目標應用包括降壓-升壓轉換器、LLC轉換器、太陽能逆變器、電信、電機驅動器、電動工具和D級別音頻放大器等。

圖5：LMG3100R0x簡化框圖（圖源：Texas Instruments）

LMG2100R0x GaN半橋功率級

該系列是TI面向100V應用而設計的半橋功率級產品，內置兩個GaN FET和一個半橋配置的高頻GaN柵極驅動器，它們被集成在一個完全無引線鍵合的封裝平臺上，更大限度避免寄生電容的影響。

圖6：LMG2100R026 GaN半橋功率級（圖源：Texas Instruments）

其中，LMG2100R026是一款53A半橋功率級，它在僅為7.00mm × 4.50mm的小封裝內，集成了兩個GaN FET和一個驅動器，具有2.6mΩ的導通電阻，93V連續(xù)/100V脈沖額定電壓；專有的自舉電壓鉗位技術確保了增強模式GaN FET的柵極電壓處于安全的工作范圍內；其同樣采用了頂部散熱的QFN封裝，以滿足小尺寸、高頻、高效的功率電子應用。

同系列中還有另外一款器件LMG2100R044，導通電阻為4.4mΩ，具有90V連續(xù)/100V脈沖額定電壓、高達35A的ID，為開發(fā)者提供了可擴展的選擇。

圖7：LMG2100R0x簡化框圖（圖源：Texas Instruments）

LMG3522R050 650V GaN FET

如果你想為更高功率應用找一款650V GaN FET解決方案，LMG3522R050是一個理想的選擇。該器件中包含集成式驅動器和保護功能，可實現(xiàn)高達150V/ns的開關速度。與分立式Si柵極驅動器相比，TI 的集成式精密柵極偏置可實現(xiàn)更高的開關SOA，再與低電感封裝技術相結合，可在硬開關電源拓撲中提供“干凈”的開關和超小的振鈴。

圖8：LMG3522R050 650V GaN FET（圖源：Texas Instruments）

LMG3522R050具有可調柵極驅動強度，可將壓擺率控制在15V/ns至150V/ns之間，有利于控制EMI并優(yōu)化開關性能。該器件的其他特性還包括：零電壓檢測（ZVD）功能，可在實現(xiàn)零電壓開關時提供來自ZVD引腳的脈沖輸出；高級電源管理功能，提供數(shù)字溫度報告和故障檢測。

圖9：LMG3522R050系統(tǒng)框圖（圖源：Texas Instruments）

LMG3650EVM子卡評估模塊

值得一提的是，為了加速GaN器件的應用開發(fā)，TI會在產品發(fā)布的同時，推出配套的評估模塊和開發(fā)工具。比如針對預發(fā)布的LMG3650R025 650V GaN FET，TI就提供了LMG3650EVM子卡評估模塊，用于該新產品的評估和開發(fā)。

圖10：LMG3650EVM子卡評估模塊（圖源：Texas Instruments）

LMG3650EVM子卡評估模塊將兩個LMG3650R025 GaN FET配置為半橋拓撲，其基本功率級和柵極驅動、高頻電流環(huán)路在板上是全封閉的，更大程度地減少電源環(huán)路的寄生電感，從而避免電壓過沖，提升性能。其還具有過熱保護、逐周期過流保護、鎖存短路去飽和保護功能，以及用于測試隔離式輔助電源或自舉電源所需的其他輔助外設電路。

該評估模塊提供插座式外部連接，可輕松連接外部功率級，或與TI GaN主板搭配使用，以便在各種應用中運行LMG3650R025，并對其性能進行全面地評估。值得一提的是，在PCB布局上，LMG3650與采用Toll封裝的Si基器件兼容，這也為LMG3650EVM評估模塊帶來更多的選項和靈活性，支持開發(fā)者在系統(tǒng)設計時探索更多的技術路徑。

圖11：LMG3650EVM子卡評估模塊框圖（圖源：Texas Instruments）

本文小結

隨著市場的發(fā)展和技術生態(tài)的完善，在追求更高效率、更高功率密度、更高可靠性的功率電子應用中，GaN器件替代Si基器件的技術升級之旅正在加速。

TI憑借獨特的集成驅動式GaN器件，將GaN FET和柵極驅動器集成在單一封裝中，在提升性能的同時大大減少了系統(tǒng)設計的復雜性和成本；與此同時，TI還提供配套的專用軟件設計工具和硬件評估模塊等資源。

這就好比為開發(fā)者提供了一份GaN開發(fā)的“全家桶”，簡化了元器件選型和系統(tǒng)設計過程，能夠一站式解決所有設計難題。