GaN 助力电源的效率和小型化

随着硅基 MOSFET 和功率器件接近其物理极限，功率工程师已开始转向氮化镓 （GaN） 以提高性能并减小整体解决方案尺寸。为了实现更小的外形尺寸和更高的效率，越来越多的电源设计人员正在使用基于 GaN 的晶体管而不是基于硅的器件。作为一种宽带隙材料，氮化镓具有比硅更优越的特性：它可以在更高的频率下运行、耗散更少的功率、更有效地导热并提供更好的热管理。

SiC 和 GaN器件具有比 Si 高得多的临界击穿电压，从而允许更薄的漂移层和更高的掺杂浓度。对于给定的芯片面积和额定电压，这会导致较低的导通电阻，从而通过减少功率损耗提供更高的效率。此外，碳化硅的热导率是硅的三倍以上，因此可以在相同的温升下使用更小的芯片。SiC 和 GaN 还通过具有更高的最大工作温度和限制应力来提供比 Si 更高的效率。

在 SMPS 电源中，高开关频率是一个主要优势，因为它可以减小磁性元件和其他组件的尺寸，实现更高的小型化和成本节约。然而，开关损耗与频率呈线性相关。这就是为什么 Si-MOSFET 以数百赫兹的频率进行开关会产生不可忽视的能量损失的原因。另一方面，氮化镓具有更高的电子饱和速度和更低的电容，提供更高的开关速率和更低的功率损耗。

通过采用基于 GaN 的开关功率晶体管，下一代电源应用可以在更高的电压和开关频率下运行，与传统的基于硅的解决方案相比，可显着提高性能并减少损耗、占地面积和重量。这些稳健性的固有特性使 GaN 成为在不断发展的应用中大规模采用的理想材料，例如汽车、工业、电信和消费电子市场的其他特定应用，包括 100 V 集群和 650 V 集群。

智能集成氮化镓解决方案

任何电子设备，从家用电器到笔记本电脑再到数据中心，都依赖于电源转换系统。然而，当今的大部分电力系统都基于一种可以追溯到几十年前的技术，效率低下，占用的空间也不容忽视。

Wise-integration 利用台积电 （TSMC） 最新获得认证的 650V GaN/Si 可用技术，能够管理从器件规格到系统组装的所有工业化流程。

“我们基于 GaN 的产品，名为 WiseGan，在同一芯片上集成了具有智能功能的电源开关。功率晶体管为 650V 电子模式，而智能功能包括栅极控制和保护电路、设计人员友好的功能和应用安全功能，”Wise-integration 的首席技术官 Dominique Bergogne 说。

WiseGan IC（如图 1 所示）适用于功率范围为 30W 至 3KW 的中等功率应用，包括：

消费类电池充电器

入墙式 USB-C 充电器

电动汽车（电动自行车充电器）

工业（数据中心电源）

 

WiseGan 采用优化的架构，可将标准基于 GaN 的充电器的体积减少 30%。GaN 技术可实现极致性能，而 Wise-Integration 专有架构可通过减少 AC-DC 电源转换器中的组件数量并在不影响性能的情况下实现高效解决方案，从而进一步提高成本性能。

据发言人称，采用 WiseGan 技术带来的主要好处如下：

由于在高频下进行超快速切换并减少有效面积，因此可以更智能地使用资源并提高性能

更小尺寸的组件可提供更高的输出功率和更低的功率损耗

集成 GaN 器件能够在 1MHz 以上的频率下运行，从而实现更高的功率密度

更高的能源效率（98% 与传统转换器的 94%）

Wise-Integration 首席执行官 Thierry Bouchet 表示：“我们的愿景是最大限度地提高客户产品的利益和吸引力，减少能源消耗、尺寸和成本。”

为了更好地满足电源市场的需求，这家总部位于法国的公司将其 WiseGan 技术与 WiseWare 获得专利的 AC-DC 系统架构相结合，该架构由数字控制运行。WiseWare 是一种可以在微控制器上运行的软件应用程序。这种双重平台能够将充电器的尺寸、重量和功耗减少 6 倍。

作为由高等教育、研究与创新部资助、创新与产业基金支持的 2019 年全国 i-Lab 竞赛的获胜者之一，Wise-Integration 研究团队最近筹集了 270 万欧元。据公司介绍，这笔资金将用于支持其第一代WiseGan IC到2022年实现产业化和商业化，并进一步开发其WiseWare电源转换平台。

WiseGan ZVS 评估板

Wise-Integration 还开发了一个评估板，允许评估其 WI62100、半桥 100mΩ（或 WI62175 半桥 175mΩ）、增强型高电子迁移率晶体管 （EHEMT） 以及 Si8274GB4D-IS1 栅极驱动器桥接配置（见图 2）。

该板具有 ZVS（零电压开关）功能，允许组件的软开关，从而降低开关损耗，同时启用高频开关。该测试板还包括一个 LTC6907 以生成控制信号、用于电源连接的接头和用于波形测量的探针点。

WI62100 IC 是一个半桥电路，在 6x8mm PQFN 封装中集成了两个 RDS（on）=100mΩ 的 GaN 功率晶体管。LTC6907 振荡器配置为向 Si8274GB4D-IS1 隔离式栅极驱动器提供 1MHz PWM 信号，两者均通过微型 USB 电源连接器由 5VDC 电压供电。隔离式栅极驱动器的 DT 引脚对应于可编程死区时间控制，提供重叠保护，防止两个驱动器输出同时变为高电平。因此，它用于设置一个输出变低和另一个输出变高之间的时间量。两个驱动器输出直接连接到 GaN 功率晶体管的栅极端子。　　

      审核编辑：彭静