一文详解PowiGaN、硅和SiC性能比较

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Power Integrations推出具有里程碑意义的1250V氮化镓开关IC前不久,集邦咨询发布2022年氮化镓(GaN)主要厂商出货量排名,数据显示Power Integrations(PI)以20%的市占率在2022年全球GaN功率半导体市场排名第一。这与PI的GaN发展策略和产品布局不无关系。

日前,PI发布全球首颗额定耐压最高的单管GaN电源IC。关于这款产品以及产品背后的技术背景,PI技术培训经理Jason Yan与记者进行了深入交流。他表示,这颗IC采用了1250V的PowiGaN 开关技术,强化了公司在高压GaN技术领域的持续领先地位,具有里程碑意义。

▋1250V PowiGaN 填补了空白

基于InnoSwitch 3-EP的PowiGaN 开关是PI恒压/恒流准谐振离线反激式开关IC产品系列。它采用同步整流和FluxLink 磁感耦合技术替代传统光耦,并具有丰富的开关选项,高度集成的开关IC集成了功率开关、保护、反馈和同步整流,可以稳定输出电压和电流,提升整体电源效率。

在此之前,PI产品包括725V硅开关、1700V碳化硅(SiC)开关及其他衍生的750V、900V产品,现在又增加了1250V耐压的最新成员。PI也因此成为唯独一家全面覆盖MOS管到不同耐压的GaN和SiC的公司。

Jason Yan介绍说,PowiGaN 目前已在60多个市场应用中广泛使用,包括家电、电动自行车、音响、汽车等。其InnoSwitch 3系列初级开关涵盖硅、GaN和SiC,硅开关包括650V、750V和900V;SiC开关是1700V;继今年3月发布了900V的GaN器件之后,PI最新发布的也是一款耐压达1250V的GaN器件。

据他介绍,PowiGaN 具有高达93%的功率变换效率,在高达85W输出功率条件下无需金属散热片,简化了散热设计;可在待机模式下为负载提供更大的功率,有利于实现高度紧凑的反激式电源设计,减小系统尺寸和重量;具有更大裕量及更强的耐用性,适用于更高的供电电压,包括工业类电压、美规277VAC三相电供电的室外照明应用,以及某些电网不稳定环境的应用。

具体讲,在典型反激式应用中,725V产品可满足450VDC母线电压需求,900V可以在550V母线电压下工作,1700V可以在1200V母线电压下工作。所以,针对不同用电环境,客户可以选择不同的功率开关,最新的1250V GaN可以在750VDC母线电压工作,填补了这一档的空白,而且几乎已涵盖450V-1250V的整个母线电压范围,解决了使用1700V产品大马拉小车的问题。如果将来进一步提升GaN的耐压,就可以用GaN实现1700V SiC开关的替代。随着未来汽车级认证产品的推出,势必会使GaN产品得到更广泛的应用。

电源IC

涵盖Si、GaN或SiC的InnoSwitch3系列初级开关

1250V GaN有更大的电压裕量。对于480VAC输入的应用,在主功率开关管关断后,通常反激式应用的开关管两端会呈现830V的最高电压,这其中的成分主要包括输入电压、反射电压加上漏感尖峰电压,而这距1250V的开关管额定电压有极大的裕量。对于以MOS管作为主功率开关管的设计,当其两端电压一旦超过上面的安全雷击电压区域就会炸掉,而GaN开关器件的优势在于,在瞬间大电压下它并不会永久损坏,唯一变化的仅是其导通电阻的漂移,不会造成器件的绝缘破坏,产生不可逆的永久损伤。在输入电压为480VAC、输出为60W的满载应用条件下,此时母线电压可达680VDC,而对于GaN开关来讲还有420V以上的裕量,降额为66%,这样可以在输入电压不稳定情况下提供很好的保护,大幅提升电源的可靠性。

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1250V PowiGaN 的电压裕量

由于1250V的绝对最大值可以满足80%的行业降额标准,在使用新款这款1250V IC时,设计人员可以放心地设计可以在1000V峰值电压工作的电源,利用巨大的裕量抵御电网波动、浪涌及其他电力扰动,满足具有挑战性电网环境的应用要求。

▋PI GaN有何不同?

要回答这个问题,还要先来看看PI GaN采用的一种叫共源共栅(Cascode)的架构,它是将上下两个管子串联,在上面的GaN下串联一个低压MOS管。据说,目前市场上只有两家厂商采用这种架构,而批量供货的只有PI。

封装方面,PI利用多芯片模块技术将所有的晶圆封装在一个封装当中,然后内部通过键合线进行互连,通过精确控制驱动器尺寸和走线电感优化了开关性能,并在内部加强了对GaN开关器件的保护,从而保证产品的高可靠性。

电源IC

共源共栅架构优化了GaN的性能和可靠性

目前市场上的GaN有E-Mode(增强型)或D-Mode两种,PI用的是后者。E-mode为常闭型器件,这是GaN的天然状态,如果不加信号,GaN始终处于导通状态。要使GaN变成常开,就要加p掺杂偏置层,有可能增加风险。PI的GaN器件是通过串联一个低压MOS管来实现了功率器件的常开状态。

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共源共栅消除了栅极驱动的挑战

Jason Yan指出:“MOS管是非常成熟的技术,无论是保护还是驱动;而且栅极不需要E-mode的负压驱动,简化了驱动电路,同时可防止发生误开通现象。而E-mode要满足更高的驱动电压裕量以保证可靠性,就需要降低驱动电压。这样会导致器件本身的导通电阻变大,这样就牺牲了GaN器件低导通电阻的优势。”

利用Cascode,PI最大限度提高了PowiGaN 的性能,解决了栅极驱动的挑战,特别是在器件的坚固耐用方面。

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共源共栅最大限度提升了变换器效率

以725V、650V工作的硅MOS为例,超过725V开关就会进入雪崩区域而损坏;如果电压再高,即使是E-mode GaN,也可能会在1100V的单次高压事件中永久失效。

同样,750V GaN可以在650V以下安全工作,但由于有安全雷击电压范围,到750V性能才会下降,还仍能保证安全工作;只是出现导通电阻的漂移,而一旦电压回到正常状态,它也会自行恢复,不会造成永久击穿。对于750V的 PowiGaN 开关只有电压超过1400V才会出现造成永久失效;1250V PowiGaN 可承受的最高电压甚至可达2100V。所以,GaN不但带来了效益提升,降低了开关损耗,同时也大大增加了电源在高压冲击下的可靠性。

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硅与PowiGaN 耐用性对比

▋PowiGaN、硅和SiC性能比较

以导通电阻(Rds(on))为0.44Ω的1250V器件为例,PI对自己的硅、SiC开关与PowiGaN 开关的性能进行了横向比较。利用两块电路板——低压输入板和汽车中使用的高压输入板,对三种不同技术的效率表现做了对比。方法是只更换不同耐压的InnoSwitch 3-EP器件,每种器件都选择其最适宜的输出功率,观察器件在板上的效率表现,看GaN对整个电源性能产生了哪些影响。

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硅、SiC与PowiGaN 开关性能比较

可以看到,随着输入电压提高,硅开关在650V、725V和900V不同输入电压的效率出现逐渐下降。

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硅开关的效率随输入电压增加而下降

电源最关键的参数是低压条件下的温升表现,输入电压越高,温升就越好,所以温升测试都是在90VAC条件下进行。相比650V硅开关方案,1250V GaN的低压区域效率高出了1%,这意味着损耗降低了20%,温度也可以降低20%。而当1250V GaN在750V母线电压下工作时,其效率和SiC的曲线很接近。

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效率提升意味着降低工作温度

Jason Yan解释道,MOS管的开关损耗是由输出电容(Coss)的储能产生的,MOS管开通后,Coss储存的能量会释放掉,导致开关损耗。输入电压越高,开关电压越高,损耗也越高。对于某个应用来讲,输入电压范围是无法改变的,只能通过减小Coss来降低开关损耗。对于750V工作的硅器件,必须将MOS管的耐压做高,这会使Rds(on)急剧增加,导通损耗也会相应增加。为了降低Rds(on),就必须将晶圆尺寸做大,这样又增加了Coss,所以这是一个矛盾关系,需要在导通损耗和开关损耗之间寻求平衡。采用GaN技术可以降低Coss,Rds(on)也会随之减小,最大的好处是可以在更高母线电压下使PowiGaN 的开关损耗降至同等硅开关的1/3以下。更小的晶圆尺寸及更高的效率有利于使用更小的封装。1200V硅TO-247封装的Rds(on)为0.69Ω,而采用InSOP-24D封装的1250V GaN的Rds(on)是0.44Ω。

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在高压反激类应用中PowiGaN 开关优于MOSFET

比较表明,相对同等耐压的硅,1250V PowiGaN 具有性能上的优势,损耗约降低了一半,效率也有很大的改善。

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1250V PowiGaN 的损耗约降低了一半

作为第三代半导体器件的SiC同样具有更高的效率,能够实现10℃以上的温升改善。PI既有650V、725V的硅器件,也有1250V的PowiGaN,可以将温度做到76℃,比硅器件改善了6-10℃。

电源IC

宽禁带器件的效率和温升改善

为了支持新产品的推广应用,PI提供一系列的支持,其中12V、6A反激变换器的参考设计DER-1025输出功率为60W,输入电压为90–480VAC,输出为12V、5A,空载功耗小于30mW,降额在66%以上,整个电压范围效率在92%左右。

▋GaN是功率变换的未来

Jason Yan表示,GaN技术代表着功率变换的未来。首先它极具成本效益,MOS管效率不高,而SiC成本很高。第二,GaN可以针对功率变换量身定制,不同环境应用选择不同功能的开关。

“GaN并不适用所有的应用环境,比如在某些应用中要求漏电流小、开关频率比较高,GaN比较合适,对于某些实际通过电流没有那么大的应用,就体现不出GaN低导通电阻的优势,所以要根据不同应用选择不同的开关技术。”他说。

第三,可以在不同功率水平、不同电压应用中对硅、GaN和SiC进行无缝切换。而更高电压、更大功率器件扩展了系统性能的选择范围,一直是行业的发展方向,功率越高、耐压越高,就越有助于降低成本。

第四,对客户来说,GaN没有供应链问题,生产过程不像SiC那么复杂,成本也会继续下降。

他最后强调,PI的卖点是价值。除了通过自己产品的高度集成,带给客户价值以外,也希望能够帮助客户建立他们自己产品的品牌价值。未来,PI还会推出更高耐压的GaN产品,并致力于将GaN的效率优势扩展到更广泛的应用领域,包括目前已经使用SiC技术的应用领域。PowiGaN产品的未来,值得我们去期待。

编辑:黄飞

 

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