[原创] GaN FET的发展机会
2020-11-15
14:00:22
来源: 半导体行业观察
电源管理芯片是现代电子产品和设备不可或缺的关键器件。同时，伴随着越来越多的传统终端开始向电气化和智能化方向发展，这就为电源管理芯片带来了巨大的商机。天风证券的报告中指出，目前，电源管理芯片主要应用于计算机、网络通信、消费电子和工业控制等领域。汽车电子领域虽然现在所占市场份额较小，但是近年来其发展速度却不容忽视。
根据这种市场发展趋势，近年来，致力于电源管理芯片的厂商也开始从低端消费电子开始向汽车领域靠拢。但对于车用半导体来说，耐高温以及更大功率是他们对相关器件的需求。这些越来越高的要求也使得氮化镓登上了电源管理芯片的舞台，成为了新一代电子信息技术革命中的关键一环。
提到电源管理芯片，就不得不提这个领域中的行业龙头——TI。早在2010年，TI就开启了在氮化镓领域的探究。在这十年当中，TI不仅增加了其在工业、电信、服务器和个人电子产品中的应用，还完成了超过4000万小时的可靠性测试。
据其官方资料介绍，TI历经十多年的投资和开发，提供了独有的整体解决方案——将内部硅基氮化镓（GaN-on-Si）器件的生产、封装与优化的硅基驱动器技术相结合，从而能在新应用中成功采用GaN。
TI指出，随着功率需求的增加，电路板面积和厚度日益成为限制因素。电源设计人员必须向其应用中集成更多的电路，才能实现产品的差异化，并提高效率和增强热性能。在TI看来，功率密度、低EMI、低IQ、低噪声高精度与隔离功能是未来电源管理芯片发展的五个重要因素。
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 GaN所关注的是如何提供并在应用中达到更高的功率密度。如果你仔细观察周围的世界会发现，电源管理是非常重要的，包括现在在汽车和工厂里面的应用，以及在更智能更小巧的消费品中，电源管理无处不在。”
通过在先进工艺以及封装等方面的探索，TI在其电源管理芯片的功率密度上得到了突破。根据TI官网介绍，TI 功率密度技术的主要优势包括：
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产热更少：借助我们先进的器件和氮化镓技术，实现出色的器件开关性能。
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热性能更好：利用先进的冷却技术（包括增强型 HotRod™ QFN 封装、电源晶圆芯片级封装和顶部散热），帮助封装体散热。
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效率更高：借助多级转换器拓扑和先进的功率级栅极驱动器，使用较小的无源器件实现较高的开关频率，同时又不影响效率。
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更小的系统占用空间：利用高级的多芯片模块技术，节省布板空间、简化电路板布局并降低寄生效应的影响。
从早些时候TI公布的氮化镓发展路线图中，我们便得以发现，其氮化镓产品将要向汽车、电网存储和太阳能等领域发展。
根据这一发展计划，日前，TI推出了其面向汽车和工业应用的下一代650V和600V氮化镓（GaN）场效应晶体管（FET），进一步丰富拓展了其高压电源管理产品线。其中，LMG3525R030-Q1是其首款带集成驱动器、内部保护和有源电源管理的车用GaN FET。
根据其官方资料介绍，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，可为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％。据介绍，该款新产品也是TI针对氮化镓产品的战略性投资。
在本次发布会当中，Steve Tom特别强调了LMG3525R030-Q1的集成驱动优势。他指出，对比离散的解决方案，集成驱动可以实现高速的切换频率以及较大的压摆率。他预测，这些优势可以为汽车提供更快的充电时间，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。
据悉，采用TI GaN FET的封装产品，其热阻抗比性能最接近的同类产品还要低23％，因此可使工程师使用更小的散热器，同时简化散热设计。无论应用场景如何，这些新器件均可提供更大的散热设计灵活性，并可选择底部或顶部冷却封装。此外，FET集成的数字温度报告功能还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。
Steve Tom表示：“之前GaN对于市场同类产品的优势，除了之前提到的关于成本、供应链、可靠性之外，最大的优势来自于集成，因为集成可以让芯片变得非常智能，可以通过现在FET所处的环境、电流和温度进行相应的措施，这不仅可以让可靠性更提高一个等级，并且可以使得电源设计者省去很多设计所需要的步骤。所以，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。”
对于汽车方面需要非常多层级的电源转化，车载充电器可能是一方面，进行一个AC/DC 的PFC转换，另外还有GaN可以被应用在高压的DC/DC的转化方面，因为汽车是整体需要非常多层级的电源转化，所以GaN可以被应用在汽车的许多方面。
除了在汽车领域有所突破外，工业领域也是TI GaN FET的另一个发展方向。LMG3425R030便是TI针对工业领域推出的新产品。
TI指出，在工业设计中，LMG3425R030可在更低功耗和更小电路板空间占用的情况下，在AC/DC电力输送应用中实现更高的效率和功率密度。
这款LMG3425R030在工业中具有非常广泛的应用，包括5G、电信、服务器等领域，同样，在电源AC/DC转换中也拥有非常广泛的应用场景。Steve Tom表示介绍：“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，同时在成本方面，氮化镓器件也十分具有竞争力。”
此外LMG3425R030的集成化设计还可以进行热监测，在过温的时候提供保护。该器件也可以在集成驱动中也可以监测电流，在过流或者短路的时候，其GaN FET可以启动自我保护程序。
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责任编辑：Sophie
