氮化镓（GaN）这么重要，到底该怎么设计？

从2015年开始，氮化镓（GaN）这个概念逐渐步入了大众的视线之中，短短五年时间，作为一种新型半导体技术，GaN已发展成为可与硅技术“匹敌”的半导体技术。而随着GaN成本的不断下降，以及小米在今年发布最新10系列手机时同时雷军特别强调发布了GaN充电头后，大众对于这个第三代半导体材料的印象越来越深刻。

GaN和SiC被人称之为“第三代半导体材料”，究其历史，第一代以Si、Ge为代表、第二代以GaAs、InP III-V族化合物为代表、第三代以SiC、GaN为代表。第三代半导体材料用其优异的材料物理特性，为电子器件性能功耗和尺寸提供了更多的发挥空间。

从特性上来说，GaN一般多用于650V以下的中低压功率器件及射频和光电领域，而碳化硅（SiC）则主要适用于高压功率器件领域。但无论从哪方面性能来说，都不难发现身为第三代半导体材料的GaN全面碾压硅和第二代半导体材料。

图：Si、GaAS、GaN和SiC半导体材料特性对比

具体来讲，GaN器件的高频特性是传统硅的5倍以上，这意味着相关的电容电感可以大幅度减少，而这也可以让整体的终端应用尺寸再次大幅缩小；开关速度上也非常快，这使得脉冲变窄，脉冲电流大；单位面积阻抗上也非常低，这可以让整个器件的发热降低到另一个水准，同时这就意味着整体的功耗降低，众所周知功耗既代表着续航、发电成本也代表着更低的发热量。

GaN不仅步入寻常百姓家，还为电力工程行业带来变革，具体来说，GaN实现了以往硅 MOSFET 从未达到的高速度、高效率和更高功率密度。

从技术方面来讲，GaN 的固有的较低栅极和输出电容支持以兆赫兹级的开关频率运行，同时降低栅极和开关损耗，从而提高效率。不同于硅，GaN不需要体二极管，因而消除了反向恢复损耗，并进一步提高了效率、减少了开关节点振铃和EMI。

图：GaN 功率氮化镓解决方案电路板

GaN到底有多重要？就在前几天的SEMICON China 2020上，某个厂商指出：“相信在未来的几年，市场中会出现越来越多的硅基氮化镓的方案，在不久的未来，氮化镓器件能够取代很多硅器件成为市场主流方向之一。另外，在新时代的背景下，氮化镓作为半导体世界中的后浪，也会引领一些企业乘风破浪。”

就应用上来说，GaN因为和SiC的特性不同，常用在650V以下中小系统，除了常见的手机充电、5G射频领域以外，还可以大规模替代光伏逆变器、智能电网、电动汽车等领域的硅基材料的IGBT。

当然，TI作为行业，尤其是在电源方面是领头羊的企业，肯定不会错过这一个领域。根据TI的介绍，从2010年开始，TI就已经研发相关技术，要知道业界第一颗600V的氮化镓芯片都已经是2012年了，更何况GaN技术被大面积推广应用才始于2015年，可以说TI的布局是超前于市场的。

图：TI的GaN技术年年创新

而在2017年，TI增加了在工业、电信、服务器和个人电子产品中的应用。对电力行业熟悉的小伙伴一定都听说过西门子，需要注意的就是，TI在同年与知名企业西门子共同展示了10千瓦的云电网与GaN的连接。

在2018年，TI就完成了超过2000万小时的可靠性测试，这一数字到了2020年就直接跃升到了3000万小时，仅用两年时间，TI就实现了1000万次的可靠性测试，这是多么惊人的一个数字。

从产品方面来讲，TI的GaN系列解决方案集成了高速栅极驱动器、EMI 控制、过热和过流保护，同时具有 100ns 的响应时间。集成式器件使布局得以优化，能够最大限度地减少寄生电感、提高 dv/dt 抗扰性 (CMTI)，并缩小布板空间。

最近，TI的900V、5KW双向AC/DC在平台上亮相。这一方案全权才用了TI的解决方案，包括了C2000数字控制器。而从TI给出的参数可以看出，在没有冷却风扇的情况下，峰值效率可达99.2%！功率密度比传统IGBT解决方案高300%！

而这整套的方案是5kW可扩展的多级解决方案，具有自然对流功能。另外，还支持不超过1.4kV的总线电压。

图：TI GaN: 900-V, 5-kW双向转换器演示

记者其实也经常参加TI的发布会，TI曾经说过，在今后TI的GaN将适用于汽车、电网存储和太阳能等领域。

那么，GaN的辉煌的开始也才五六年而已，作为一种新型的技术，我们该如何去设计相关的系统呢？

当然，采用TI的整体解决方案才会发挥出TI的GaN的真正实力，这就包括了我们曾经讲解过的C2000系列MCU，BQ系列降压-升压充电器，TPS系列DC/DC等。

21IC中国电子网/记者：付斌