2020年11月16日 | 集成驱动和安全功能的车用GaN FET问世，充电更快续航更强

在推出业界首个集成驱动的600V工业GaN FET之后，TI（德州仪器）于近日推出集成驱动器、保护以及温度报告的车用和工业用GaN FET，继续奠定TI在GaN领域的领导地位。

TI高压电源应用产品业务部氮化镓（GaN）功率器件产品线经理Steve Tom先生日前接受媒体采访，就TI GaN产品的高性能，高可靠性以及高集成度等方面进行了解读。

GaN的优势与集成驱动的智能化GaN

GaN凭借其特性，广泛应用在LED、射频、电源转换等领域，而具体在电源管理应用上，GaN的优势包括：

1. 传导损耗小，能效高。GaN晶体管的导通电阻(RDSon)是传统硅器件的一半，在相同输出电流下损耗更小，能效更高。低损耗同时意味着低发热，从而可以有效地简化散热器件和热管理系统设计。

2. GaN晶体管内不含体二极管，没有反向恢复损耗。

3. GaN晶体管的输入电荷非常小，几乎没有栅极驱动损耗。

4. GaN功率器件可以支持更高的开关频率(GaN：1MHz，Si：<100KHz)，从而减小无源器件的体积。

5. GaN器件的功率密度很大，能够达到硅基LDMOS的四倍以上，在减小体积的同时可以增大输出功率。

“传统解决方案中，我们通常要在低成本、高可靠性、小体积以及优秀系统性方面有所取舍。得益于GaN的优质特性，TI GaN可以同时满足所有这些优秀的表现。”Tom总结道。

尽管GaN的特性足够强，但是想要真正用好，还需要颇费周折的。采用分立功率晶体管和驱动IC的方案，这要求设计人员必须学习如何让它们协同工作，实现最佳性能。

TI日前分别面向汽车和工业应用推出下一代集成驱动的650V和600V GaN FET，包括LMG3522R030-Q1和LMG3525R030-Q1车规650V产品以及LMG3422x及LMG3425 x 600V工业级产品。与现有解决方案相比，新的GaN FET系列采用快速切换的2.2 MHz集成栅极驱动器，可帮助工程师提供两倍的功率密度和高达99％的效率，并将电源磁性器件的尺寸减少59％。TI利用其独有的GaN材料和在硅基GaN衬底上的加工能力开发了新型FET，与SiC等同类衬底材料相比，更具成本和供应链优势。

GaN器件过去常常被封装为分立式器件，并由单独的驱动器驱动，这是因为 GaN 器件和驱动器基于不同的处理技术，并且可能来自不同的厂商。每个封装将会有引入寄生电感的焊线和引线。当以每纳秒数十到几百伏电压的高压摆率进行切换时，这些寄生电感会导致开关损耗、振铃和可靠性问题。2018年起，TI基于硅基GaN的技术，将 GaN 晶体管与其驱动器集成在一起可以消除共源电感，并且极大降低驱动器输出与 GaN 栅极之间的电感，从而实现更多益处。

如图所示（车规产品预计2021年一季度发布），TI GaN产品都是集成了驱动器和保护电路，这得益于公司多年来在硅工艺、第三代半导体工艺以及封装方面的领先优势所开发的。

Tom也表示，集成驱动可以给GaN带来四点好处，具体包括功率密度加倍，PFC中更高效率，超冷却封装以及可靠性和低成本。

“总的来说，我们的产品与市场同类产品相比最大的优势是集成了驱动和保护，使得我们是一个更智能的产品，而不仅仅是一个GaN FET。”Tom说道。

四大优势之一：功率密度加倍

在高电压、高密度应用中，电路板空间最小化是设计中的重要目标。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。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。 

Tom总结道：“首先，将导通电阻降低至30mΩ，其次，改善封装的热性能。新一代产品采用新的12x12mm封装，与上一代产品相比可将热阻降低50％以上。其热阻抗比性能最接近的同类产品还要低23％。”

Tom举例道：“通过集成，可以使寄生电感更小，提高压摆率，从而得到150 V /ns和2.2MHz的切换速度，在增加功率密度的情况下维持了系统的稳定。”

四大优势之二：PFC中更高效率

“在超大规模的企业级计算平台以及5G电信整流器等AC/DC电力输送应用中达到99％效率。”TI给出的数据显示，GaN技术无疑是高功率AC/DC应用中的最佳选择。

但在以往，由于死区时间的限制，要获得快速的开关性能，就需要牺牲一些功率效率。为了避免这种不利后果，新型GaN FET采用了TI的智能死区自适应功能，以减少功率损耗。根据TI给出的数据，在PFC中，智能死区自适应功能与分立式GaN和SiC MOSFET相比，可将第三象限损耗降低多达66％。智能死区自适应功能也消除了控制自适应死区时间的必要，从而降低了固件复杂性和开发时长。

死区时间损耗与反向传导电压有关设备。对于硅MOSFET，这个电压是由其体二极管的特性决定的。对于GaN HEMT反向传导电压取决于第三象限特性。与硅MOSFET体二极管相比，GaN HEMT的Vsd降更高，因为Vth-VG通常高于门关闭时为0.7 V。例如，商用650伏增强模式（e-mode）GaN器件具有典型的阈值电压为1.7v，高于硅体二极管的本征电压降。对某些人来说在大功率应用中，通常采用负的关态栅电压来减轻串扰的影响。因此，考虑到负栅偏压为-3v，反向电压降从4.7v开始，然后增加随着负载电流的增加。类似地，在耗尽模式（d-mode）GaN器件中观察到高的反向传导电压。根据关断状态下应用的门到源电压，反向电压降在5-7 V的范围内。可以看出，高反向传导电压会导致过多的死区时间。

如果死区时间较长，则会造成损失，这会影响系统效率和器件的热极限。

一种常用的缩短死区时间的方法是自适应死区时间控制。死区时间可根据需要选择最短死区时间，基于不同操作条件下的器件特性。然而，这种方法需要密集的对设备进行测试，不易处理零件变化。另一方面，自适应死区时间结合不同的电路实现方案，比如使用快速比较器检测开关节点电压，或者使用计数器方案，都会需要时间来执行，可能会引起可靠性、延迟时间等问题。

TI集成的智能死区自适应功能，可以在没有外部电路的情况下优化死区时间，提高系统整体性能。该技术允许GaN FET在检测到负漏源电压时，极短的延迟内就可以由内置的栅极驱动器自动打开GaN FET。当栅极打开时，器件不再关闭，电压降将取决于导通状态下的电阻，这大大减少了死区内的损耗量。

如图所示，TI的智能驱动技术相比SiC和GaN，死区损失较小

四大优势之三：超冷却封装

TI的集成驱动GaN FET采用12×12 QFN封装。对比其他水平接近的友商来说，TI独特的封装技术能够减少23%的热阻抗。而且针对不同应用，还提供底部或顶部散热封装选型，尤其是针对汽车应用，通过散热片、水冷等顶部散热方式，可以实现更高的功率密度。此外，FET中集成了数字温度报告功能，可实现有源电源管理，从而使工程师能在多变的负载和工作条件下优化系统的热性能。 

四大优势之四：可靠性和成本优势

Tom表示，2010年开始，TI就已经开始研发GaN技术，2017年与西门子推出了首个10千瓦连接云电网的转换器。

TI联合西门子展示连接云电网的转换器

为了避免信号延迟，驱动器总是更希望与FET离得更近，同时高度集成方案的可靠性、设计周期、产品认证以及总成本等方面也明显优于分立式方案。同时，集成驱动器确保了感测电路与 GaN FET 之间尽可能少的电感连接，这样的话，电流保护电路可以尽可能快地做出反应，以保护器件不受过流应力的影响。

Tom补充道，就TI的GaN FET本身，已经进行了4000多万小时的器件可靠性测试和超过5 Gwh的功率转换应用测试。

2018年，TI发布了600V GaNFET集成驱动的产品之时，为了保证用户使用体验，TI投入大量人力物力，累计进行了超过2000万小时的设备可靠性测试，使得电源设计工程师可以更放心地在各种电源应用中使用GaN。而在两年后，随着新一代产品的发布，可靠性测试总时长又增加了一倍。

不同于传统芯片测试，压力测试需要包括常见于开关电源设备的硬开关工作模式，硬开关电路包括buck和boost变换器、功率因数校正电路、逆变器和电机驱动器。硬开关以一种不同的方式对器件施加压力，因为它包括一个短暂的瞬间，即器件同时承受高电压和高电流。“在硬开的时候可以将功率等级在4000瓦以上，会进行一周7×24小时的测试，并且在测试的同时进行数据采集，来判断以及分析GaN的可靠性。”Tom说道。

TI的测试主要集中于以下四个领域：

1.设备可靠性：符合设备的工程设计；构建设备内在的使用寿命。

2.应用健全性：在加速环境下，整合任务剖面条件，模拟真实应用情形。

3.制造：专注于生产流程优化和产能改进。

4.符合电子工程设计发展联合协会(JEDEC)质量要求：通过提速测试设备质量和存活能力，来预见产品的低缺陷率和故障率。

此外，2017年JEDEC宣布制定完成了JC-70.1，它规范了GaN的可靠性和质量认证流程、数据资料表、参数以及测试和特性表征方法。TI是JC-70.1标准的创始人与积极倡导者之一。

在完成2000万小时可靠性测试里程碑时，Tom开心地拿着评估子卡

成本优势既体现在高集成上，同时更体现在硅基GaN可以更好地利用成熟可靠且便宜的硅，而不是采用价格昂贵且小尺寸的碳化硅晶圆，同时工艺更难稳定。

Tom表示：“我们所有GaN产品都是在达拉斯自有工厂中生产的，因此可以更好掌握整个供应链。未来我们正朝向更大尺寸方向发展，使成本进一步降低。”

为了体现产品带来的优异性能和快速设计等特点，TI也提供了不同的评估套件、参考方案、设计文档、技术白皮书和教程，客户可以进行快速产品导入。

LMG3425R030 子卡，具有两个带集成驱动器和保护功能的600V、30Ω 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。提供的插口可轻松与外部功率级连接。

展望未来，Tom总结道：“汽车具有多层级的电源转化，因此GaN除了AC/DC的PFC转换之外，也非常适合高压DC/DC等应用领域。而在工业方面，除了电源转换相关应用之外，因其良好的开关特性以及非常高的压摆率，或许会出现在精密测试仪器中。”