近日，德州儀器推出了全新的100V氮化鎵——LMG2100和LMG3100系列產(chǎn)品，補充了公司在100V左右中壓市場(chǎng)的空白。借助新一代氮化鎵，以及熱增強雙面冷卻封裝技術(shù)，可簡(jiǎn)化中壓應用的熱設計并實(shí)現大于1.5kW/in3的超高功率密度。

德州儀器氮化鎵業(yè)務(wù)負責人楊斐博士詳細介紹了該產(chǎn)品以及氮化鎵在中壓市場(chǎng)的新動(dòng)向。

德州儀器廣泛的氮化鎵產(chǎn)品組合

功率密度貫穿電源設計趨勢始終

楊斐表示，隨著(zhù)AI、電動(dòng)汽車(chē)、能源等行業(yè)應用越來(lái)越復雜，處理器及系統的功耗越來(lái)越大，這也對電網(wǎng)和電源提出了更高要求。在功率提升的同時(shí)，整個(gè)系統的尺寸并沒(méi)有變化，比如服務(wù)器還是傳統的機架，汽車(chē)上留給電源的尺寸不變，新能源行業(yè)也需要設備越來(lái)越小型化，集成化。

功率密度的提高通常與效率或成本等其他領(lǐng)域的發(fā)展息息相關(guān)。一般而言，功率轉換效率的根本性提高可減小解決方案的尺寸。減小尺寸會(huì )產(chǎn)生一系列連鎖反應，物理材料更少、組件更少、成本結構更好、解決方案集成更多以及總體擁有成本更低，從而實(shí)現成本的節省。

第三代半導體代表之一的氮化鎵，相比傳統的硅器件有更低的開(kāi)關(guān)損耗，以及更高的開(kāi)關(guān)頻率。更高的開(kāi)關(guān)頻率可以選擇更小的電感、變壓器和電容，從而提升電源系統的功率密度。

“具體系統效率的提升取決于拓撲，比如針對微型逆變器，硅器件的效率一般在 94% 到 96%，如果使用氮化鎵則可以輕松達到 98%�！睏铎撑e例道。

當然還有其他的應用，比如共驅系統。電驅系統可以通過(guò)電源設計頻率的提升，對電機、輸出 THD、散熱及成本等參數實(shí)現優(yōu)化。

電源優(yōu)化器方框圖

高集成的氮化鎵

楊斐表示，氮化鎵由于頻率高，因此開(kāi)關(guān)的dv/dt、di/dt都是快速切換的，這就給驅動(dòng)、PCB布線(xiàn)等設計帶來(lái)了巨大挑戰。

“TI的做法是把氮化鎵的功率器件和驅動(dòng)集成在一起，通過(guò)優(yōu)化內部參數和驅動(dòng)，可以充分發(fā)揮出氮化鎵的優(yōu)勢，用戶(hù)無(wú)需考慮額外的布局布線(xiàn)問(wèn)題，同時(shí)也可以確保產(chǎn)品一致性�！睏铎辰忉尩�。

LMG2100產(chǎn)品功能圖

根據TI給出的數據，相比于傳統硅，采用集成驅動(dòng)的氮化鎵系統可以將PCB面積縮小40%，一方面是通過(guò)氮化鎵實(shí)現，另外則是通過(guò)高集成簡(jiǎn)化了驅動(dòng)設計。

除了驅動(dòng)之外，TI的氮化鎵產(chǎn)品還集成了諸多保護功能，包括過(guò)流、短路、欠壓、電流檢測、過(guò)溫保護等等，比如內部自舉電源電壓鉗位，可防止 GaN FET 過(guò)驅動(dòng)。

另外則是TI在封裝上的創(chuàng )新。此次新品，TI采用了雙面冷卻封裝技術(shù)，增強了散熱水平，從而進(jìn)一步提高了功率密度。

楊斐表示，DC/DC轉換模塊商目前都接受了氮化鎵的優(yōu)勢，且正在各類(lèi)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，每個(gè)廠(chǎng)家都有獨特的拓撲、優(yōu)化等不同的考量，因此目前對于兼容性的可替換性需求不大，客戶(hù)也不需要不同廠(chǎng)商產(chǎn)品的兼容，因此更高集成度的產(chǎn)品是目前客戶(hù)最喜歡的方式，可以加速他們的創(chuàng )新過(guò)程。

中壓氮化鎵的廣泛應用

在TI《GaN 將革新四種中壓應用的電子設計》白皮書(shū)中，TI指出了除了業(yè)界已經(jīng)采用的高壓 GaN（額定值 >=600V）外，新的中壓 GaN 解決方案（額定值 80V-200V）也日益受到歡迎，可在高壓 GaN 之前無(wú)法支持的電源系統中實(shí)現更高的功率密度和效率。

TI例舉了四個(gè)中壓氮化鎵潛在的應用爆點(diǎn)。包括在太陽(yáng)能微型逆變器、電源優(yōu)化器中的DC/DC，服務(wù)器中的電源單元（PSU）、中間總線(xiàn)轉換器（IBC）、電池備份單元，電信電源以及電機驅動(dòng)。

服務(wù)器電源方框圖

另外，包括通用直流/直流轉換、D類(lèi)音頻放大器以及電池測試和化成設備等場(chǎng)景，都可以充分利用氮化鎵高開(kāi)關(guān)頻率低功率損耗的特性。比如針對精密伺服系統，氮化鎵可以減少電路尺寸，提高轉矩并減少紋波。而對于D類(lèi)音頻放大器，氮化鎵可以提高工作頻率保持高效率的同時(shí)，降低信號的失真度。

而為了充分體現氮化鎵的優(yōu)勢，TI也是一口氣推出了六個(gè)參考設計，涵蓋了方方面面的應用。

參考設計一覽

總結

手機充電器中正在廣泛使用氮化鎵，這證明了市場(chǎng)對于該產(chǎn)品的接受度越來(lái)越高，也越來(lái)越意識到其高功率密度的特性。隨著(zhù)TI等大型電源供應商進(jìn)入中壓市場(chǎng)，相信會(huì )有越來(lái)越多的功率相關(guān)場(chǎng)景嘗試氮化鎵，其優(yōu)勢也將不止在快充上得以充分體現。