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[导读]硅技术正在接近其极限,但应用市场仍然需要更快、需高效的电路。半导体行业不得不从材料入手,氮化镓就是一种被誉为第三代半导体未来的明星材料。对氮化镓的研究早在多年前就已开始,氮化镓是一种宽禁带材料,它的带

硅技术正在接近其极限,但应用市场仍然需要更快、需高效的电路。半导体行业不得不从材料入手,氮化镓就是一种被誉为第三代半导体未来的明星材料。

对氮化镓的研究早在多年前就已开始,氮化镓是一种宽禁带材料,它的带隙能量为3.4eV,是带隙能量仅为1.1eV的硅的几倍。同时,GaN半导体不仅具有1000倍于硅的电子迁移率,而且能够在更高的温度下工作(高达400摄氏度),这些物理特性使得GaN器件在高频(THz),高温和高功率环境中应用非常理想。

虽然氮化镓在特性上有很多优于硅的地方,但是这么多年过去了,氮化镓仍然没有达到普及的应用,这其中到底是什么原因?是哪些挑战阻碍了氮化镓的应用?氮化镓器件供应商们又是如何应对的呢?

最近,深耕于高压集成电路高能效功率转换领域的Power Integrations(以下简称PI)公司,推出了两款基于氮化镓开关的产品,特别适用于充电器和LED照明应用市场,不仅实现了性能上的大幅提升,而且让工程师用起来毫无困难,将大大助推氮化镓在消费电子领域的商用。

PI公司资深技术培训经理阎金光先生向行业媒体详细介绍了这款革命性产品,同时也解读了以上的诸多疑问。

 

“氮化镓这么多年应用上没能普及,主要有两个原因:一是氮化镓的成品率一直比较低,导致器件成本比较高”,阎金光先生向行业媒体解释说,“另一个主要原因是氮化镓在使用上比较难,相比非常成熟的硅开关,氮化镓MOSFET的驱动控制更难,工程师要想设计一个可靠安全的氮化镓开关是比较有挑战的。”

作为在氮化镓领域有多年技术积累的公司,PI已经解决了产品成品率低的问题。为了能让工程师更容易地使用上氮化镓器件,享受氮化镓带来的优势,PI公司创新性地推出了PowiGaN开关技术,并将其集成进了PI的现有开关电源产品中,替代了硅MOSFET,不仅实现了效率提升和功率提升,而且扩大了这些开关电源IC的应用领域。

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这就是PI新推出的基于PowiGaN开关技术的的InnoSwitch 3系列恒压/恒流离线反激式开关电源IC。新IC可在整个负载范围内提供95%的高效率,并且在密闭适配器内不使用散热片的情况下可提供100 W的功率输出。这一突破性的性能提升源自内部开发的高压氮化镓开关技术。

准谐振模式的InnoSwitch3-CP、InnoSwitch3-EP和InnoSwitch3-Pro IC在一个表面贴装封装内集成了初级电路、次级电路和反馈电路。在新发布的系列器件中,氮化镓开关替换了IC初级的常规高压硅晶体管,这可以降低电流流动期间的传导损耗,并极大降低工作时的开关损耗。这最终有助于大幅降低电源的能耗,从而提高效率,使体积更小的InSOP-24D封装提供更大的输出功率。

阎金光先生解释说,GaN开关的单位面积的导通电阻RDS(on)比同类硅的可以做得更低,所以,GaN开关可以极大地降低损耗,从而使基于这种开关的电源的效率更高、温升更低、尺寸更小,也就可以实现大功率电源的无散热片设计。另外,将GaN开关替代硅开关集成进IC中,可以解决氮化镓驱动难的这一设计挑战。PI的产品将可靠的驱动、内部保护都集成进IC,使得电源的工作方式甚至开关波形都与原来的机遇硅MOSFET的产品完全一样,因此,工程师不必额外考虑其他的设计问题,连EMI都可以按照标准技术测试,大大降低了使用的难度。

新IC无需外围元件即可提供精确的恒压/恒流/恒功率,并轻松与接快充协议接口IC协同工作,因此适用于高效率反激式设计,例如,移动设备、机顶盒、显示器、家电、网络设备和游戏机的USB-PD和大电流充电器/适配器。InnoSwitch3-CP和InnoSwitch3-EP的电源特性可以通过改变硬件参数的方式进行配置,而InnoSwitch-Pro集成先进的数字接口,可通过软件实现对恒压和恒流的设置点、异常处理以及安全模式选项的控制。

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PI全新的InnoSwitch 3 IC现已开始供货,其官网上提供了五款新的参考设计,均为输出功率介于60 W到100 W的USB-PD充电器,此外还提供了自动化设计工具PI Expert以及其他技术支持文档。

除了在消费电子适配器领域的应用,氮化镓也适用于LED照明领域。同样,为了降低工程师使用氮化镓的难度,PI将PowiGaN开关集成进了LYTSwitch-6 IC中,之前,基于硅晶体管的LYTSwitch-6产品在高达65W的应用当中非常有效,现在基于PowiGaN开关的LYTSwitch-6 IC可以实现更大的输出功率,由于氮化镓晶体管的单位面积的RDS(ON)更小,损耗更小,因此实现了>100W的输出功率,同时提高了击穿电压范围。

将氮化镓集成进IC的做法,使得基于氮化镓开关的LYTSwitch-6 IC工作方式与其他LYTSwitch-6器件完全相同,而设计的电源可以实现更高效、温升更低、体积更小的优势,在高功率应用当中引领“无散热片”设计的发展趋势,特别适合于有体积效率要求的应用,例如:有高度要求的天花LED灯具驱动、 高、低舱顶灯灯具LED路灯驱动、工业用12V或24V恒压输出等应用。

为了帮助工程师更快的上手设计,PI公司推出了用于LED驱动器设计的LYTSwitch-6参考设计方案-DER-801(100W),PI Expert 现已支持PowiGaN器件的设计,工程师可以利用PI Expert 实时创建符合客户规格参数的自定义方案。

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