PI PowiGaN技術(shù)另辟蹊徑 引爆氮化鎵在消費(fèi)電子領(lǐng)域商用

硅技術(shù)正在接近其極限，但應(yīng)用市場仍然需要更快、需高效的電路。半導(dǎo)體行業(yè)不得不從材料入手，氮化鎵就是一種被譽(yù)為第三代半導(dǎo)體未來的明星材料。

對氮化鎵的研究早在多年前就已開始，氮化鎵是一種寬禁帶材料，它的帶隙能量為3.4eV，是帶隙能量僅為1.1eV的硅的幾倍。同時，GaN半導(dǎo)體不僅具有1000倍于硅的電子遷移率，而且能夠在更高的溫度下工作(高達(dá)400攝氏度)，這些物理特性使得GaN器件在高頻(THz)，高溫和高功率環(huán)境中應(yīng)用非常理想。

雖然氮化鎵在特性上有很多優(yōu)于硅的地方，但是這么多年過去了，氮化鎵仍然沒有達(dá)到普及的應(yīng)用，這其中到底是什么原因?是哪些挑戰(zhàn)阻礙了氮化鎵的應(yīng)用?氮化鎵器件供應(yīng)商們又是如何應(yīng)對的呢?

最近，深耕于高壓集成電路高能效功率轉(zhuǎn)換領(lǐng)域的Power Integrations(以下簡稱PI)公司，推出了兩款基于氮化鎵開關(guān)的產(chǎn)品，特別適用于充電器和LED照明應(yīng)用市場，不僅實(shí)現(xiàn)了性能上的大幅提升，而且讓工程師用起來毫無困難，將大大助推氮化鎵在消費(fèi)電子領(lǐng)域的商用。

PI公司資深技術(shù)培訓(xùn)經(jīng)理閻金光先生向行業(yè)媒體詳細(xì)介紹了這款革命性產(chǎn)品，同時也解讀了以上的諸多疑問。

“氮化鎵這么多年應(yīng)用上沒能普及，主要有兩個原因：一是氮化鎵的成品率一直比較低，導(dǎo)致器件成本比較高”，閻金光先生向行業(yè)媒體解釋說，“另一個主要原因是氮化鎵在使用上比較難，相比非常成熟的硅開關(guān)，氮化鎵MOSFET的驅(qū)動控制更難，工程師要想設(shè)計一個可靠安全的氮化鎵開關(guān)是比較有挑戰(zhàn)的。”

作為在氮化鎵領(lǐng)域有多年技術(shù)積累的公司，PI已經(jīng)解決了產(chǎn)品成品率低的問題。為了能讓工程師更容易地使用上氮化鎵器件，享受氮化鎵帶來的優(yōu)勢，PI公司創(chuàng)新性地推出了PowiGaN開關(guān)技術(shù)，并將其集成進(jìn)了PI的現(xiàn)有開關(guān)電源產(chǎn)品中，替代了硅MOSFET，不僅實(shí)現(xiàn)了效率提升和功率提升，而且擴(kuò)大了這些開關(guān)電源IC的應(yīng)用領(lǐng)域。

這就是PI新推出的基于PowiGaN開關(guān)技術(shù)的的InnoSwitch 3系列恒壓/恒流離線反激式開關(guān)電源IC。新IC可在整個負(fù)載范圍內(nèi)提供95%的高效率，并且在密閉適配器內(nèi)不使用散熱片的情況下可提供100 W的功率輸出。這一突破性的性能提升源自內(nèi)部開發(fā)的高壓氮化鎵開關(guān)技術(shù)。

準(zhǔn)諧振模式的InnoSwitch3-CP、InnoSwitch3-EP和InnoSwitch3-Pro IC在一個表面貼裝封裝內(nèi)集成了初級電路、次級電路和反饋電路。在新發(fā)布的系列器件中，氮化鎵開關(guān)替換了IC初級的常規(guī)高壓硅晶體管，這可以降低電流流動期間的傳導(dǎo)損耗，并極大降低工作時的開關(guān)損耗。這最終有助于大幅降低電源的能耗，從而提高效率，使體積更小的InSOP-24D封裝提供更大的輸出功率。

閻金光先生解釋說，GaN開關(guān)的單位面積的導(dǎo)通電阻RDS(on)比同類硅的可以做得更低，所以，GaN開關(guān)可以極大地降低損耗，從而使基于這種開關(guān)的電源的效率更高、溫升更低、尺寸更小，也就可以實(shí)現(xiàn)大功率電源的無散熱片設(shè)計。另外，將GaN開關(guān)替代硅開關(guān)集成進(jìn)IC中，可以解決氮化鎵驅(qū)動難的這一設(shè)計挑戰(zhàn)。PI的產(chǎn)品將可靠的驅(qū)動、內(nèi)部保護(hù)都集成進(jìn)IC，使得電源的工作方式甚至開關(guān)波形都與原來的機(jī)遇硅MOSFET的產(chǎn)品完全一樣，因此，工程師不必額外考慮其他的設(shè)計問題，連EMI都可以按照標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)測試，大大降低了使用的難度。

新IC無需外圍元件即可提供精確的恒壓/恒流/恒功率，并輕松與接快充協(xié)議接口IC協(xié)同工作，因此適用于高效率反激式設(shè)計，例如，移動設(shè)備、機(jī)頂盒、顯示器、家電、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和游戲機(jī)的USB-PD和大電流充電器/適配器。InnoSwitch3-CP和InnoSwitch3-EP的電源特性可以通過改變硬件參數(shù)的方式進(jìn)行配置，而InnoSwitch-Pro集成先進(jìn)的數(shù)字接口，可通過軟件實(shí)現(xiàn)對恒壓和恒流的設(shè)置點(diǎn)、異常處理以及安全模式選項(xiàng)的控制。

PI全新的InnoSwitch 3 IC現(xiàn)已開始供貨，其官網(wǎng)上提供了五款新的參考設(shè)計，均為輸出功率介于60 W到100 W的USB-PD充電器，此外還提供了自動化設(shè)計工具PI Expert以及其他技術(shù)支持文檔。

除了在消費(fèi)電子適配器領(lǐng)域的應(yīng)用，氮化鎵也適用于LED照明領(lǐng)域。同樣，為了降低工程師使用氮化鎵的難度，PI將PowiGaN開關(guān)集成進(jìn)了LYTSwitch-6 IC中，之前，基于硅晶體管的LYTSwitch-6產(chǎn)品在高達(dá)65W的應(yīng)用當(dāng)中非常有效，現(xiàn)在基于PowiGaN開關(guān)的LYTSwitch-6 IC可以實(shí)現(xiàn)更大的輸出功率，由于氮化鎵晶體管的單位面積的RDS(ON)更小，損耗更小，因此實(shí)現(xiàn)了>100W的輸出功率，同時提高了擊穿電壓范圍。

將氮化鎵集成進(jìn)IC的做法，使得基于氮化鎵開關(guān)的LYTSwitch-6 IC工作方式與其他LYTSwitch-6器件完全相同，而設(shè)計的電源可以實(shí)現(xiàn)更高效、溫升更低、體積更小的優(yōu)勢，在高功率應(yīng)用當(dāng)中引領(lǐng)“無散熱片”設(shè)計的發(fā)展趨勢，特別適合于有體積效率要求的應(yīng)用，例如：有高度要求的天花LED燈具驅(qū)動、 高、低艙頂燈燈具LED路燈驅(qū)動、工業(yè)用12V或24V恒壓輸出等應(yīng)用。

為了幫助工程師更快的上手設(shè)計，PI公司推出了用于LED驅(qū)動器設(shè)計的LYTSwitch-6參考設(shè)計方案-DER-801(100W)，PI Expert 現(xiàn)已支持PowiGaN器件的設(shè)計，工程師可以利用PI Expert 實(shí)時創(chuàng)建符合客戶規(guī)格參數(shù)的自定義方案。