PI技术经理Jason Yan：1250V氮化镓开关IC是一个重要的里程碑
【导读】Power Integrations推出具有里程碑意义的1250V氮化镓开关IC前不久，集邦咨询发布2022年氮化镓（GaN）主要厂商出货量排名，数据显示Power Integrations（PI）以20%的市占率在2022年全球GaN功率半导体市场排名第一。这与PI的GaN发展策略和产品布局不无关系。
日前，PI发布全球首颗额定耐压最高的单管GaN电源IC。关于这款产品以及产品背后的技术背景，PI技术培训经理Jason Yan与记者进行了深入交流。他表示，这颗IC采用了1250V的PowiGaN? 开关技术，强化了公司在高压GaN技术领域的持续领先地位，具有里程碑意义。
1250V PowiGaN? 填补了空白
基于InnoSwitch? 3-EP的PowiGaN? 开关是PI恒压/恒流准谐振离线反激式开关IC产品系列。它采用同步整流和FluxLink? 磁感耦合技术替代传统光耦，并具有丰富的开关选项，高度集成的开关IC集成了功率开关、保护、反馈和同步整流，可以稳定输出电压和电流，提升整体电源效率。
PI 技术培训经理Jason Yan讲解1250V PowiGaN?
在此之前，PI产品包括725V硅开关、1700V碳化硅（SiC）开关及其他衍生的750V、900V产品，现在又增加了1250V耐压的最新成员。PI也因此成为唯独一家全面覆盖MOS管到不同耐压的GaN和SiC的公司。
Jason Yan介绍说，PowiGaN? 目前已在60多个市场应用中广泛使用，包括家电、电动自行车、音响、汽车等。其InnoSwitch? 3系列初级开关涵盖硅、GaN和SiC，硅开关包括650V、750V和900V；SiC开关是1700V；继今年3月发布了900V的GaN器件之后，PI最新发布的也是一款耐压达1250V的GaN器件。
据他介绍，PowiGaN? 具有高达93%的功率变换效率，在高达85W输出功率条件下无需金属散热片，简化了散热设计；可在待机模式下为负载提供更大的功率，有利于实现高度紧凑的反激式电源设计，减小系统尺寸和重量；具有更大裕量及更强的耐用性，适用于更高的供电电压，包括工业类电压、美规277VAC三相电供电的室外照明应用，以及某些电网不稳定环境的应用。
适用于工业及家电类应用的PowiGaN?
具体讲，在典型反激式应用中，725V产品可满足450VDC母线电压需求，900V可以在550V母线电压下工作，1700V可以在1200V母线电压下工作。所以，针对不同用电环境，客户可以选择不同的功率开关，最新的1250V GaN可以在750VDC母线电压工作，填补了这一档的空白，而且几乎已涵盖450V-1250V的整个母线电压范围，解决了使用1700V产品大马拉小车的问题。如果将来进一步提升GaN的耐压，就可以用GaN实现1700V SiC开关的替代。随着未来汽车级认证产品的推出，势必会使GaN产品得到更广泛的应用。
涵盖Si、GaN或SiC的InnoSwitch3系列初级开关
1250V GaN有更大的电压裕量。对于480VAC输入的应用，在主功率开关管关断后，通常反激式应用的开关管两端会呈现830V的最高电压，这其中的成分主要包括输入电压、反射电压加上漏感尖峰电压，而这距1250V的开关管额定电压有极大的裕量。对于以MOS管作为主功率开关管的设计，当其两端电压一旦超过上面的安全雷击电压区域就会炸掉，而GaN开关器件的优势在于，在瞬间大电压下它并不会永久损坏，唯一变化的仅是其导通电阻的漂移，不会造成器件的绝缘破坏，产生不可逆的永久损伤。在输入电压为480VAC、输出为60W的满载应用条件下，此时母线电压可达680VDC，而对于GaN开关来讲还有420V以上的裕量，降额为66%，这样可以在输入电压不稳定情况下提供很好的保护，大幅提升电源的可靠性。
1250V PowiGaN? 的电压裕量
由于1250V的绝对最大值可以满足80%的行业降额标准，在使用新款这款1250V IC时，设计人员可以放心地设计可以在1000V峰值电压工作的电源，利用巨大的裕量抵御电网波动、浪涌及其他电力扰动，满足具有挑战性电网环境的应用要求。
PI GaN有何不同？
要回答这个问题，还要先来看看PI GaN采用的一种叫共源共栅（Cascode）的架构，它是将上下两个管子串联，在上面的GaN下串联一个低压MOS管。据说，目前市场上只有两家厂商采用这种架构，而批量供货的只有PI。
封装方面，PI利用多芯片模块技术将所有的晶圆封装在一个封装当中，然后内部通过键合线进行互连，通过精确控制驱动器尺寸和走线电感优化了开关性能，并在内部加强了对GaN开关器件的保护，从而保证产品的高可靠性。
共源共栅架构优化了GaN的性能和可靠性
目前市场上的GaN有E-Mode（增强型）或D-Mode两种，PI用的是后者。E-mode为常闭型器件，这是GaN的天然状态，如果不加信号，GaN始终处于导通状态。要使GaN变成常开，就要加p掺杂偏置层，有可能增加风险。PI的GaN器件是通过串联一个低压MOS管来实现了功率器件的常开状态。
共源共栅消除了栅极驱动的挑战
Jason Yan指出：“MOS管是非常成熟的技术，无论是保护还是驱动；而且栅极不需要E-mode的负压驱动，简化了驱动电路，同时可防止发生误开通现象。而E-mode要满足更高的驱动电压裕量以保证可靠性，就需要降低驱动电压。这样会导致器件本身的导通电阻变大，这样就牺牲了GaN器件低导通电阻的优势。”
利用Cascode，PI最大限度提高了PowiGaN? 的性能，解决了栅极驱动的挑战，特别是在器件的坚固耐用方面。
共源共栅最大限度提升了变换器效率
以725V、650V工作的硅MOS为例，超过725V开关就会进入雪崩区域而损坏；如果电压再高，即使是E-mode GaN，也可能会在1100V的单次高压事件中永久失效。
同样，750V GaN可以在650V以下安全工作，但由于有安全雷击电压范围，到750V性能才会下降，还仍能保证安全工作；只是出现导通电阻的漂移，而一旦电压回到正常状态，它也会自行恢复，不会造成永久击穿。对于750V的 PowiGaN? 开关只有电压超过1400V才会出现造成永久失效；1250V PowiGaN? 可承受的最高电压甚至可达2100V。所以，GaN不但带来了效益提升，降低了开关损耗，同时也大大增加了电源在高压冲击下的可靠性。
硅与PowiGaN? 耐用性对比
PowiGaN?、硅和SiC性能比较
以导通电阻（Rds(on)）为0.44Ω的1250V器件为例，PI对自己的硅、SiC开关与PowiGaN? 开关的性能进行了横向比较。利用两块电路板——低压输入板和汽车中使用的高压输入板，对三种不同技术的效率表现做了对比。方法是只更换不同耐压的InnoSwitch? 3-EP器件，每种器件都选择其最适宜的输出功率，观察器件在板上的效率表现，看GaN对整个电源性能产生了哪些影响。
硅、SiC与PowiGaN? 开关性能比较
可以看到，随着输入电压提高，硅开关在650V、725V和900V不同输入电压的效率出现逐渐下降。
硅开关的效率随输入电压增加而下降
电源最关键的参数是低压条件下的温升表现，输入电压越高，温升就越好，所以温升测试都是在90VAC条件下进行。相比650V硅开关方案，1250V GaN的低压区域效率高出了1%，这意味着损耗降低了20%，温度也可以降低20%。而当1250V GaN在750V母线电压下工作时，其效率和SiC的曲线很接近。
效率提升意味着降低工作温度
Jason Yan解释道，MOS管的开关损耗是由输出电容（Coss）的储能产生的，MOS管开通后，Coss储存的能量会释放掉，导致开关损耗。输入电压越高，开关电压越高，损耗也越高。对于某个应用来讲，输入电压范围是无法改变的，只能通过减小Coss来降低开关损耗。对于750V工作的硅器件，必须将MOS管的耐压做高，这会使Rds(on)急剧增加，导通损耗也会相应增加。为了降低Rds(on)，就必须将晶圆尺寸做大，这样又增加了Coss，所以这是一个矛盾关系，需要在导通损耗和开关损耗之间寻求平衡。采用GaN技术可以降低Coss，Rds(on)也会随之减小，最大的好处是可以在更高母线电压下使PowiGaN? 的开关损耗降至同等硅开关的1/3以下。更小的晶圆尺寸及更高的效率有利于使用更小的封装。1200V硅TO-247封装的Rds(on)为0.69Ω，而采用InSOP-24D封装的1250V GaN的Rds(on)是0.44Ω。
在高压反激类应用中PowiGaN? 开关优于MOSFET
比较表明，相对同等耐压的硅，1250V PowiGaN? 具有性能上的优势，损耗约降低了一半，效率也有很大的改善。
1250V PowiGaN? 的损耗约降低了一半
作为第三代半导体器件的SiC同样具有更高的效率，能够实现10℃以上的温升改善。PI既有650V、725V的硅器件，也有1250V的PowiGaN?，可以将温度做到76℃，比硅器件改善了6-10℃。
宽禁带器件的效率和温升改善
为了支持新产品的推广应用，PI提供一系列的支持，其中12V、6A反激变换器的参考设计DER-1025输出功率为60W，输入电压为90–480VAC，输出为12V、5A，空载功耗小于30mW，降额在66%以上，整个电压范围效率在92%左右。
GaN是功率变换的未来
Jason Yan表示，GaN技术代表着功率变换的未来。首先它极具成本效益，MOS管效率不高，而SiC成本很高。第二，GaN可以针对功率变换量身定制，不同环境应用选择不同功能的开关。
“GaN并不适用所有的应用环境，比如在某些应用中要求漏电流小、开关频率比较高，GaN比较合适，对于某些实际通过电流没有那么大的应用，就体现不出GaN低导通电阻的优势，所以要根据不同应用选择不同的开关技术。”他说。
第三，可以在不同功率水平、不同电压应用中对硅、GaN和SiC进行无缝切换。而更高电压、更大功率器件扩展了系统性能的选择范围，一直是行业的发展方向，功率越高、耐压越高，就越有助于降低成本。
第四，对客户来说，GaN没有供应链问题，生产过程不像SiC那么复杂，成本也会继续下降。
他最后强调，PI的卖点是价值。除了通过自己产品的高度集成，带给客户价值以外，也希望能够帮助客户建立他们自己产品的品牌价值。未来，PI还会推出更高耐压的GaN产品，并致力于将GaN的效率优势扩展到更广泛的应用领域，包括目前已经使用SiC技术的应用领域。PowiGaN?产品的未来，值得我们去期待。
来源：PSD功率系统设计 作者：刘洪
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