【導讀】Power Integrations推出具有裏程碑意義的1250V氮化镓開關IC前不久
，集邦谘詢發布2022年氮化镓（GaN）主要廠商出貨量排名，數據顯示Power Integrations（PI）以20%的市占率在2022年全球GaN功率半導體市場排名第一。這與PI的GaN發展策略和產品布局不無關係。

日前，PI發布全球首顆額定耐壓最高的單管GaN電源IC。關於這款產品以及產品背後的技術背景，PI技術培訓經理Jason Yan與記者進行了深入交流。他表示，這顆IC采用了1250V的PowiGaN™ 開關技術
，強化了公司在高壓GaN技術領域的持續領先地位，具有裏程碑意義。

1250V PowiGaN™ 填補了空白

基於InnoSwitch™ 3-EP的PowiGaN™ 開關是PI恒壓/恒流準諧振離線反激式開關IC產品係列。它采用同步整流和FluxLink™ 磁感耦合技術替代傳統光耦，並具有豐富的開關選項，高度集成的開關IC集成了功率開關、保護、反饋和同步整流，可以穩定輸出電壓和電流，提升整體電源效率。

PI 技術培訓經理Jason Yan講解1250V PowiGaN™

在此之前，PI產品包括725V矽開關
、1700V碳化矽（SiC）開關及其他衍生的750V
、900V產品，現在又增加了1250V耐壓的最新成員。PI也因此成為唯獨一家全麵覆蓋MOS管到不同耐壓的GaN和SiC的公司。

Jason Yan介紹說，PowiGaN™ 目前已在60多個市場應用中廣泛使用，包括家電、電動自行車、音響、汽車等。其InnoSwitch™ 3係列初級開關涵蓋矽

、GaN和SiC，矽開關包括650V、750V和900V
；SiC開關是1700V；繼今年3月發布了900V的GaN器件之後，PI最新發布的也是一款耐壓達1250V的GaN器件。

據他介紹
，PowiGaN™ 具有高達93%的功率變換效率
，在高達85W輸出功率條件下無需金屬散熱片，簡化了散熱設計
；可在待機模式下為負載提供更大的功率，有利於實現高度緊湊的反激式電源設計，減小係統尺寸和重量
；具有更大裕量及更強的耐用性，適用於更高的供電電壓
，包括工業類電壓
、美規277VAC三相電供電的室外照明應用，以及某些電網不穩定環境的應用。

適用於工業及家電類應用的PowiGaN™

具體講，在典型反激式應用中，725V產品可滿足450VDC母線電壓需求，900V可以在550V母線電壓下工作，1700V可以在1200V母線電壓下工作。所以，針對不同用電環境，客戶可以選擇不同的功率開關，最新的1250V GaN可以在750VDC母線電壓工作，填補了這一檔的空白，而且幾乎已涵蓋450V-1250V的整個母線電壓範圍
，解決了使用1700V產品大馬拉小車的問題。如果將來進一步提升GaN的耐壓，就可以用GaN實現1700V SiC開關的替代。隨著未來汽車級認證產品的推出

，勢必會使GaN產品得到更廣泛的應用。

涵蓋Si
、GaN或SiC的InnoSwitch3係列初級開關

1250V GaN有更大的電壓裕量。對於480VAC輸入的應用，在主功率開關管關斷後，通常反激式應用的開關管兩端會呈現830V的最高電壓
，這其中的成分主要包括輸入電壓、反射電壓加上漏感尖峰電壓，而這距1250V的開關管額定電壓有極大的裕量。對於以MOS管作為主功率開關管的設計，當其兩端電壓一旦超過上麵的安全雷擊電壓區域就會炸掉
，而GaN開kai關guan器qi件jian的de優you勢shi在zai於yu，在zai瞬shun間jian大da電dian壓ya下xia它ta並bing不bu會hui永yong久jiu損sun壞huai，唯wei一yi變bian化hua的de僅jin是shi其qi導dao通tong電dian阻zu的de漂piao移yi，不bu會hui造zao成cheng器qi件jian的de絕jue緣yuan破po壞huai，產chan生sheng不bu可ke逆ni的de永yong久jiu損sun傷shang。在zai輸shu入ru電dian壓ya為wei480VAC、輸出為60W的滿載應用條件下，此時母線電壓可達680VDC，而對於GaN開關來講還有420V以上的裕量
，降額為66%，這樣可以在輸入電壓不穩定情況下提供很好的保護，大幅提升電源的可靠性。

1250V PowiGaN™ 的電壓裕量

由於1250V的絕對最大值可以滿足80%的行業降額標準，在使用新款這款1250V IC時

，設計人員可以放心地設計可以在1000V峰值電壓工作的電源
，利用巨大的裕量抵禦電網波動、浪湧及其他電力擾動，滿足具有挑戰性電網環境的應用要求。

PI GaN有何不同？

要回答這個問題
，還要先來看看PI GaN采用的一種叫共源共柵（Cascode）的架構，它是將上下兩個管子串聯
，在上麵的GaN下串聯一個低壓MOS管。據說
，目前市場上隻有兩家廠商采用這種架構，而批量供貨的隻有PI。

封裝方麵，PI利li用yong多duo芯xin片pian模mo塊kuai技ji術shu將jiang所suo有you的de晶jing圓yuan封feng裝zhuang在zai一yi個ge封feng裝zhuang當dang中zhong，然ran後hou內nei部bu通tong過guo鍵jian合he線xian進jin行xing互hu連lian
，通tong過guo精jing確que控kong製zhi驅qu動dong器qi尺chi寸cun和he走zou線xian電dian感gan優you化hua了le開kai關guan性xing能neng，並bing在zai內nei部bu加jia強qiang了le對duiGaN開關器件的保護，從而保證產品的高可靠性。

共源共柵架構優化了GaN的性能和可靠性

目前市場上的GaN有E-Mode（增強型）或D-Mode兩種
，PI用的是後者。E-mode為常閉型器件，這是GaN的天然狀態
，如果不加信號
，GaN始終處於導通狀態。要使GaN變成常開，就要加p摻雜偏置層，有可能增加風險。PI的GaN器件是通過串聯一個低壓MOS管來實現了功率器件的常開狀態。

共源共柵消除了柵極驅動的挑戰

Jason Yan指出：“MOS管是非常成熟的技術，無論是保護還是驅動
；而且柵極不需要E-mode的負壓驅動，簡化了驅動電路，同時可防止發生誤開通現象。而E-mode要滿足更高的驅動電壓裕量以保證可靠性

，就需要降低驅動電壓。這樣會導致器件本身的導通電阻變大，這樣就犧牲了GaN器件低導通電阻的優勢。”

利用Cascode
，PI最大限度提高了PowiGaN™ 的性能
，解決了柵極驅動的挑戰

，特別是在器件的堅固耐用方麵。

共源共柵最大限度提升了變換器效率

以725V、650V工作的矽MOS為例
，超過725V開關就會進入雪崩區域而損壞；如果電壓再高，即使是E-mode GaN，也可能會在1100V的單次高壓事件中永久失效。

同樣，750V GaN可以在650V以下安全工作

，但由於有安全雷擊電壓範圍
，到750V性能才會下降，還仍能保證安全工作；隻是出現導通電阻的漂移，而一旦電壓回到正常狀態，它也會自行恢複，不會造成永久擊穿。對於750V的 PowiGaN™ 開關隻有電壓超過1400V才會出現造成永久失效；1250V PowiGaN™ 可承受的最高電壓甚至可達2100V。所以，GaN不但帶來了效益提升，降低了開關損耗，同時也大大增加了電源在高壓衝擊下的可靠性。

矽與PowiGaN™ 耐用性對比

PowiGaN™、矽和SiC性能比較

以導通電阻（Rds(on)）為0.44Ω的1250V器件為例，PI對自己的矽
、SiC開關與PowiGaN™ 開關的性能進行了橫向比較。利用兩塊電路板——低壓輸入板和汽車中使用的高壓輸入板

，對三種不同技術的效率表現做了對比。方法是隻更換不同耐壓的InnoSwitch™ 3-EP器件，每種器件都選擇其最適宜的輸出功率，觀察器件在板上的效率表現
，看GaN對整個電源性能產生了哪些影響。

矽、SiC與PowiGaN™ 開關性能比較

可以看到，隨著輸入電壓提高，矽開關在650V、725V和900V不同輸入電壓的效率出現逐漸下降。

矽開關的效率隨輸入電壓增加而下降

電源最關鍵的參數是低壓條件下的溫升表現
，輸入電壓越高
，溫升就越好，所以溫升測試都是在90VAC條件下進行。相比650V矽開關方案，1250V GaN的低壓區域效率高出了1%，這意味著損耗降低了20%，溫度也可以降低20%。而當1250V GaN在750V母線電壓下工作時，其效率和SiC的曲線很接近。

效率提升意味著降低工作溫度

Jason Yan解釋道
，MOS管的開關損耗是由輸出電容（Coss）的儲能產生的，MOS管開通後，Coss儲(chu)存(cun)的(de)能(neng)量(liang)會(hui)釋(shi)放(fang)掉(diao)
，導(dao)致(zhi)開(kai)關(guan)損(sun)耗(hao)。輸(shu)入(ru)電(dian)壓(ya)越(yue)高(gao)，開(kai)關(guan)電(dian)壓(ya)越(yue)高(gao)，損(sun)耗(hao)也(ye)越(yue)高(gao)。對(dui)於(yu)某(mou)個(ge)應(ying)用(yong)來(lai)講(jiang)，輸(shu)入(ru)電(dian)壓(ya)範(fan)圍(wei)是(shi)無(wu)法(fa)改(gai)變(bian)的(de)

，隻(zhi)能(neng)通(tong)過(guo)減(jian)小(xiao)Coss來降低開關損耗。對於750V工作的矽器件，必須將MOS管的耐壓做高，這會使Rds(on)急劇增加，導通損耗也會相應增加。為了降低Rds(on)，就必須將晶圓尺寸做大
，這樣又增加了Coss，所以這是一個矛盾關係，需要在導通損耗和開關損耗之間尋求平衡。采用GaN技術可以降低Coss

，Rds(on)也會隨之減小，最大的好處是可以在更高母線電壓下使PowiGaN™ 的開關損耗降至同等矽開關的1/3以下。更小的晶圓尺寸及更高的效率有利於使用更小的封裝。1200V矽TO-247封裝的Rds(on)為0.69Ω
，而采用InSOP-24D封裝的1250V GaN的Rds(on)是0.44Ω。

在高壓反激類應用中PowiGaN™ 開關優於MOSFET

比較表明
，相對同等耐壓的矽

，1250V PowiGaN™ 具有性能上的優勢，損耗約降低了一半，效率也有很大的改善。

1250V PowiGaN™ 的損耗約降低了一半

作為第三代半導體器件的SiC同樣具有更高的效率，能夠實現10℃以上的溫升改善。PI既有650V

、725V的矽器件
，也有1250V的PowiGaN™，可以將溫度做到76℃，比矽器件改善了6-10℃。

寬禁帶器件的效率和溫升改善

為了支持新產品的推廣應用，PI提供一係列的支持，其中12V、6A反激變換器的參考設計DER-1025輸出功率為60W，輸入電壓為90–480VAC
，輸出為12V


、5A，空載功耗小於30mW，降額在66%以上，整個電壓範圍效率在92%左右。

GaN是功率變換的未來

Jason Yan表示，GaN技術代表著功率變換的未來。首先它極具成本效益
，MOS管效率不高
，而SiC成本很高。第二，GaN可以針對功率變換量身定製，不同環境應用選擇不同功能的開關。

“GaN並不適用所有的應用環境，比如在某些應用中要求漏電流小、開關頻率比較高
，GaN比較合適，對於某些實際通過電流沒有那麼大的應用
，就體現不出GaN低導通電阻的優勢，所以要根據不同應用選擇不同的開關技術。”他說。

第三
，可以在不同功率水平、不同電壓應用中對矽、GaN和SiC進行無縫切換。而更高電壓
、更大功率器件擴展了係統性能的選擇範圍
，一直是行業的發展方向，功率越高
、耐壓越高，就越有助於降低成本。

第四，對客戶來說，GaN沒有供應鏈問題，生產過程不像SiC那麼複雜，成本也會繼續下降。

他最後強調，PI的賣點是價值。除了通過自己產品的高度集成
，帶給客戶價值以外

，也希望能夠幫助客戶建立他們自己產品的品牌價值。未來，PI還會推出更高耐壓的GaN產品，並致力於將GaN的效率優勢擴展到更廣泛的應用領域，包括目前已經使用SiC技術的應用領域。PowiGaN™產品的未來
，值得我們去期待。

來源：PSD功率係統設計  作者：劉洪

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