氮化鎵（GaN）這么重要，到底該怎么設(shè)計(jì)？

從2015年開(kāi)始，氮化鎵（GaN）這個(gè)概念逐漸步入了大眾的視線之中，短短五年時(shí)間，作為一種新型半導(dǎo)體技術(shù)，GaN已發(fā)展成為可與硅技術(shù)“匹敵”的半導(dǎo)體技術(shù)。而隨著GaN成本的不斷下降，以及小米在今年發(fā)布最新10系列手機(jī)時(shí)同時(shí)雷軍特別強(qiáng)調(diào)發(fā)布了GaN充電頭后，大眾對(duì)于這個(gè)第三代半導(dǎo)體材料的印象越來(lái)越深刻。

GaN和SiC被人稱(chēng)之為“第三代半導(dǎo)體材料”，究其歷史，第一代以Si、Ge為代表、第二代以GaAs、InP III-V族化合物為代表、第三代以SiC、GaN為代表。第三代半導(dǎo)體材料用其優(yōu)異的材料物理特性，為電子器件性能功耗和尺寸提供了更多的發(fā)揮空間。

從特性上來(lái)說(shuō)，GaN一般多用于650V以下的中低壓功率器件及射頻和光電領(lǐng)域，而碳化硅（SiC）則主要適用于高壓功率器件領(lǐng)域。但無(wú)論從哪方面性能來(lái)說(shuō)，都不難發(fā)現(xiàn)身為第三代半導(dǎo)體材料的GaN全面碾壓硅和第二代半導(dǎo)體材料。

圖：Si、GaAS、GaN和SiC半導(dǎo)體材料特性對(duì)比

具體來(lái)講，GaN器件的高頻特性是傳統(tǒng)硅的5倍以上，這意味著相關(guān)的電容電感可以大幅度減少，而這也可以讓整體的終端應(yīng)用尺寸再次大幅縮?。婚_(kāi)關(guān)速度上也非?？欤@使得脈沖變窄，脈沖電流大；單位面積阻抗上也非常低，這可以讓整個(gè)器件的發(fā)熱降低到另一個(gè)水準(zhǔn)，同時(shí)這就意味著整體的功耗降低，眾所周知功耗既代表著續(xù)航、發(fā)電成本也代表著更低的發(fā)熱量。

GaN不僅步入尋常百姓家，還為電力工程行業(yè)帶來(lái)變革，具體來(lái)說(shuō)，GaN實(shí)現(xiàn)了以往硅 MOSFET 從未達(dá)到的高速度、高效率和更高功率密度。

從技術(shù)方面來(lái)講，GaN 的固有的較低柵極和輸出電容支持以兆赫茲級(jí)的開(kāi)關(guān)頻率運(yùn)行，同時(shí)降低柵極和開(kāi)關(guān)損耗，從而提高效率。不同于硅，GaN不需要體二極管，因而消除了反向恢復(fù)損耗，并進(jìn)一步提高了效率、減少了開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)振鈴和EMI。

圖：GaN 功率氮化鎵解決方案電路板

GaN到底有多重要？就在前幾天的SEMICON China 2020上，某個(gè)廠商指出：“相信在未來(lái)的幾年，市場(chǎng)中會(huì)出現(xiàn)越來(lái)越多的硅基氮化鎵的方案，在不久的未來(lái)，氮化鎵器件能夠取代很多硅器件成為市場(chǎng)主流方向之一。另外，在新時(shí)代的背景下，氮化鎵作為半導(dǎo)體世界中的后浪，也會(huì)引領(lǐng)一些企業(yè)乘風(fēng)破浪?！?

就應(yīng)用上來(lái)說(shuō)，GaN因?yàn)楹蚐iC的特性不同，常用在650V以下中小系統(tǒng)，除了常見(jiàn)的手機(jī)充電、5G射頻領(lǐng)域以外，還可以大規(guī)模替代光伏逆變器、智能電網(wǎng)、電動(dòng)汽車(chē)等領(lǐng)域的硅基材料的IGBT。

當(dāng)然，TI作為行業(yè)，尤其是在電源方面是領(lǐng)頭羊的企業(yè)，肯定不會(huì)錯(cuò)過(guò)這一個(gè)領(lǐng)域。根據(jù)TI的介紹，從2010年開(kāi)始，TI就已經(jīng)研發(fā)相關(guān)技術(shù)，要知道業(yè)界第一顆600V的氮化鎵芯片都已經(jīng)是2012年了，更何況GaN技術(shù)被大面積推廣應(yīng)用才始于2015年，可以說(shuō)TI的布局是超前于市場(chǎng)的。

圖：TI的GaN技術(shù)年年創(chuàng)新

而在2017年，TI增加了在工業(yè)、電信、服務(wù)器和個(gè)人電子產(chǎn)品中的應(yīng)用。對(duì)電力行業(yè)熟悉的小伙伴一定都聽(tīng)說(shuō)過(guò)西門(mén)子，需要注意的就是，TI在同年與知名企業(yè)西門(mén)子共同展示了10千瓦的云電網(wǎng)與GaN的連接。

在2018年，TI就完成了超過(guò)2000萬(wàn)小時(shí)的可靠性測(cè)試，這一數(shù)字到了2020年就直接躍升到了3000萬(wàn)小時(shí)，僅用兩年時(shí)間，TI就實(shí)現(xiàn)了1000萬(wàn)次的可靠性測(cè)試，這是多么驚人的一個(gè)數(shù)字。

從產(chǎn)品方面來(lái)講，TI的GaN系列解決方案集成了高速柵極驅(qū)動(dòng)器、EMI 控制、過(guò)熱和過(guò)流保護(hù)，同時(shí)具有 100ns 的響應(yīng)時(shí)間。集成式器件使布局得以?xún)?yōu)化，能夠最大限度地減少寄生電感、提高 dv/dt 抗擾性 (CMTI)，并縮小布板空間。

最近，TI的900V、5KW雙向AC/DC在平臺(tái)上亮相。這一方案全權(quán)才用了TI的解決方案，包括了C2000數(shù)字控制器。而從TI給出的參數(shù)可以看出，在沒(méi)有冷卻風(fēng)扇的情況下，峰值效率可達(dá)99.2%！功率密度比傳統(tǒng)IGBT解決方案高300%！

而這整套的方案是5kW可擴(kuò)展的多級(jí)解決方案，具有自然對(duì)流功能。另外，還支持不超過(guò)1.4kV的總線電壓。

圖：TI GaN: 900-V, 5-kW雙向轉(zhuǎn)換器演示

記者其實(shí)也經(jīng)常參加TI的發(fā)布會(huì)，TI曾經(jīng)說(shuō)過(guò)，在今后TI的GaN將適用于汽車(chē)、電網(wǎng)存儲(chǔ)和太陽(yáng)能等領(lǐng)域。

那么，GaN的輝煌的開(kāi)始也才五六年而已，作為一種新型的技術(shù)，我們?cè)撊绾稳ピO(shè)計(jì)相關(guān)的系統(tǒng)呢？

當(dāng)然，采用TI的整體解決方案才會(huì)發(fā)揮出TI的GaN的真正實(shí)力，這就包括了我們?cè)?jīng)講解過(guò)的C2000系列MCU，BQ系列降壓-升壓充電器，TPS系列DC/DC等。

21IC中國(guó)電子網(wǎng)/記者：付斌