首先，我們要知道的是電氣化正在改變?nèi)缃竦钠?chē)行業(yè)，消費(fèi)者越來(lái)越需要充電更快、續(xù)航里程更遠(yuǎn)的車(chē)輛。因此，工程師亟需在不影響汽車(chē)性能的同時(shí)，設(shè)計(jì)出更緊湊、輕便的汽車(chē)系統(tǒng)。而在工業(yè)領(lǐng)域，在對(duì)更低功耗或更小體積的器件需求度升高的同時(shí)，我們還希望能在AC/DC電力輸送應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)更高的效率和功率密度，比如在超大規(guī)模的企業(yè)計(jì)算平臺(tái)以及5G電信整流器中。

在了解了需求后，我們就要做決策。眾所周知，GaN和SiC都是寬禁帶半導(dǎo)體材料，具有高熱導(dǎo)率、高擊穿場(chǎng)強(qiáng)、高飽和電子漂移速率和高鍵合能等優(yōu)點(diǎn)，可以滿(mǎn)足現(xiàn)代電子技術(shù)對(duì)高溫、高功率、高壓、高頻以及抗輻射等惡劣條件的新要求。

因此，在汽車(chē)和工業(yè)領(lǐng)域中，與SiFET相比，GaNFET具有很多優(yōu)勢(shì)。以TI推出的650V和600V氮化鎵（GaN）場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）為例，它在采用了快速切換的2.2MHz集成柵極驅(qū)動(dòng)器后，可提供兩倍的功率密度和高達(dá)99％的效率，并將電源磁性器件的尺寸減少59％。同時(shí)還能延長(zhǎng)電池續(xù)航，提高系統(tǒng)可靠性并降低設(shè)計(jì)成本，就問(wèn)香不香？

至于為什么像TI這樣的廠商都在選擇GaN-on-Si，而非SiC或GaN-on-SiC？TI高壓電源應(yīng)用產(chǎn)品業(yè)務(wù)部氮化鎵功率器件產(chǎn)品線經(jīng)理SteveTom先生表示，“從研發(fā)的角度來(lái)看，目前GaN-on-Si的成本比SiC低很多，而在開(kāi)關(guān)頻率表現(xiàn)方面，GaN比SiC開(kāi)關(guān)頻率更快、開(kāi)關(guān)特性更好，功耗更低，制作的器件體積更小。在可靠性方面也已進(jìn)行了4000萬(wàn)小時(shí)的測(cè)試，表現(xiàn)良好，可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)。”

此外，TI高壓電源應(yīng)用產(chǎn)品業(yè)務(wù)部應(yīng)用工程師張奕馳補(bǔ)充表示，“TI選擇GaN-on-Si還因?yàn)檫@些器件集成了驅(qū)動(dòng)，而這個(gè)驅(qū)動(dòng)是基于Si的，為了更好地將兩部分集成在一起，Si基是一個(gè)很好的選擇，同時(shí)還可以降本。”

GaN-on-Si是怎樣提高功率密度和電源效率的？

如果你仔細(xì)觀察周?chē)氖澜鐣?huì)發(fā)現(xiàn)，電源管理是非常重要的，包括現(xiàn)在在汽車(chē)和工廠里面的應(yīng)用，以及在更智能、更小巧的消費(fèi)品中，電源管理無(wú)處不在。傳統(tǒng)解決方案中，我們通常要在低成本、高可靠性、小體積以及優(yōu)秀系統(tǒng)性方面有所取舍。

而決定一個(gè)電源好壞的指標(biāo)通常有五項(xiàng)，即功率密度、低EMI、低靜態(tài)電流IQ、低噪聲和高精度、隔離。這是為什么呢？因?yàn)樘岣吖β拭芏瓤梢栽诮档拖到y(tǒng)成本的同時(shí)實(shí)現(xiàn)更多的系統(tǒng)功能；降低EMI可以減少對(duì)其他系統(tǒng)組件的干擾，并簡(jiǎn)化工程師的設(shè)計(jì)和鑒定流程；降低靜態(tài)電流IQ可以延長(zhǎng)電池壽命與儲(chǔ)存時(shí)間、實(shí)現(xiàn)更多功能，延長(zhǎng)系統(tǒng)使用壽命并降低系統(tǒng)成本；降低或轉(zhuǎn)移噪聲可簡(jiǎn)化電源鏈并提高精密模擬應(yīng)用的可靠性；提高隔離可以在在高壓和關(guān)鍵安全應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)更高工作電壓和更大可靠性。

那GaN-on-Si又是怎樣提高功率密度和電源效率的呢？以TI此次推出的工業(yè)級(jí)600VGaNFETLMG3425R030和車(chē)用級(jí)650VGaNFETLMG3522R030-Q1和LMG3525R030-Q1為例，TI在采用GaN-on-Si的基礎(chǔ)上，對(duì)集成度、電路拓?fù)湟约胺庋b做了改善，因此整體的效率和功率密度都有所提高，具體包括以下四點(diǎn)優(yōu)勢(shì)。

功率密度加倍：這三款器件由于集成了驅(qū)動(dòng)，寄生電感就會(huì)很小，寄生電感小了可以使得壓擺率變得非常高，于是可以提供大于150V/ns和大于2.2MHz的業(yè)界更快切換速度。與離散解決方案相比，集成化可減少59%的功率磁性元件以及10多個(gè)組件需求。

PFC中效率提高：由于采用了智能死區(qū)自適應(yīng)功能，最大程度地減少了停滯時(shí)間、固件復(fù)雜性和開(kāi)發(fā)時(shí)間，同時(shí)將PFC中的第三象限損耗至多降低了66％。

超冷卻封裝：與水平最接近的市場(chǎng)同類(lèi)產(chǎn)品封裝相比，可減少23％的熱阻抗。底部和頂部冷卻的封裝可實(shí)現(xiàn)散熱設(shè)計(jì)靈活性。

可靠性和成本優(yōu)勢(shì)：4，000多萬(wàn)小時(shí)的器件可靠性測(cè)試和超過(guò)5Gwh的功率轉(zhuǎn)換應(yīng)用測(cè)試，可為工程師提供足以應(yīng)對(duì)任何市場(chǎng)需求的可靠的使用壽命。

目前GaNFET的具體應(yīng)用有哪些？

TI高壓電源應(yīng)用產(chǎn)品業(yè)務(wù)部氮化鎵功率器件產(chǎn)品線經(jīng)理SteveTom先生表示，目前TI與西門(mén)子推出了首個(gè)10千瓦連接云電網(wǎng)的轉(zhuǎn)換器。同時(shí)，我們也在氮化鎵上完成了超過(guò)4000萬(wàn)小時(shí)的可靠性測(cè)試。此外就LMG3425R030、LMG3522R030-Q1和LMG3525R030-Q1三款芯片，分別推出了評(píng)估板和技術(shù)支持資料。

張奕馳先生表示，在工業(yè)領(lǐng)域，GaN-on-SiFET有非常多的設(shè)計(jì)，其中包括圖騰柱PFC、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、高壓DC/DC的轉(zhuǎn)換器以及一些LOC的應(yīng)用。

而SteveTom先生則補(bǔ)充表示，GaN在2016年推出后已被應(yīng)用在越來(lái)越多應(yīng)用里，最近的應(yīng)用包括5G基站應(yīng)用以及快充電源的應(yīng)用。GaN因其良好的開(kāi)關(guān)特性以及非常高的壓擺率，日后可被應(yīng)用于精密測(cè)試儀器領(lǐng)域中。
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