氮化鎵在成本上具有顯著優勢，但目前的氮化鎵開關器件大多局限于較低的耐壓水平，無法滿足更高電壓應用的需求。在此背景下，開發出高壓氮化鎵開關IC，就具有革命性意義。
在電力電子領域，高耐壓開關器件的需求日益增長，尤其是在電動汽車、工業自動化和可再生能源等高性能應用中。傳統的硅基開關器件在耐壓能力和效率方面逐漸達到極限。在新興的寬禁帶半導體材料中，碳化硅（SiC）雖然能夠很好地勝任大功率應用，但其昂貴的價格卻難以為市場所廣泛接受；相比之下，氮化鎵（GaN）在成本上具有顯著優勢，但目前的氮化鎵開關器件大多局限于較低的耐壓水平，無法滿足更高電壓應用的需求。
在此背景下，PI公司最新推出的1700V氮化鎵開關IC，就具有革命性意義。用Power Integrations（PI）公司的營銷副總裁Doug Bailey的話說，就是：“雖然本次的重點在于推出一款新產品，但這只是整個故事的一部分。更為重要的是，我們開發了一款1,700V的GaN產品，這才是真正的重大新聞。這款產品本身是一款非常精巧且先進的產品，是我們將此款GaN推向市場的方式。然而，從行業角度來看，真正重要的事情在于我們成功開發了1,700V的GaN，而這一點是目前市場上其他企業尚未達成的成就。”簡而言之，此次1700V氮化鎵器件的發布，不僅標志著PI公司在氮化鎵技術上的又一突破，也為整個行業設立了新的耐壓標準。
PI公司資深技術培訓經理閻金光（Jason Yan）在接下來的會議中，向筆者詳細介紹了這款1700V氮化鎵（GaN）開關IC的具體技術成果。
據閻金光介紹，這款1700V的PowiGaN氮化鎵開關已被集成到了PI已有的電源IC產品中。“具體而言，我們將1700V的氮化鎵應用于先前推出的一款名為InnoMux-2 IC的產品上，InnoMux專用于多路輸出場景。由于耐壓能力的提升，它現在能夠處理高達1000V DC的母線電壓。”閻金光補充說。
眾所周知，開關電壓越高，母線電壓就能設置得越高，這意味著AC輸入電壓也可以相應提高。這款產品內部就集成了1700V的氮化鎵PowiGaN開關。InnoMux-2單級架構的一個主要特點是能提高多路輸出的效率。”此前我們發布InnoMux時，大家已了解到其具有較高的精度，這使得我們可以移除第二級（即后級）的DC-DC轉換電路。這樣就實現了單級轉換。相較于雙級轉換，單級轉換的效率自然更高。每一路的精度均可達到甚至優于±1%，并且所需的元器件數量更少，從而簡化了電路設計，當然還包括多種完善的保護措施。”閻金光指出。
PI公司功率開關技術發展歷程
接下來，閻金光回顧了PI公司近年來在功率開關技術方面的發展歷程。最初，在2018年，PI公司推出的是硅基開關，電壓等級包括900V、720V和650V。隨著氮化鎵技術的引入，PI首先推出了750V的氮化鎵開關。針對更高要求的應用，例如汽車領域，則推出了1700V的碳化硅開關，主要集成用于初級側的功率開關。對于1700V耐壓開關的應用，它可以用于反激式電源轉換器，支持1200V DC的母線端電壓，具體取決于變壓器的設計情況。通常，其額定值設定在1000V，考慮到汽車充電時的電壓可能會更高，PI將其標稱為1700V。
對于不同的開關耐壓選項，PI的產品提供20%的降額裕量，即通常工作在80%的耐壓水平下，以適應不同母線電壓的需求。這主要應用于汽車行業。當然，在某些工業應用中也會使用更高耐壓的器件。隨后，PI在2022年推出了900V的氮化鎵開關，一直在行業內領先于其他競爭對手，率先推出更高耐壓的產品。2023年，時隔僅一年，該公司再次推出了1250V的開關。“當時市場上也有一些1200V耐壓的產品出現，但我們的1250V產品能夠承受超過2100V的瞬時高壓，從而確保更高的可靠性和更大的裕量。這使得在750V DC的情況下，仍可以實現工程上要求的80%降額。”閻金光強調。
既然市場上現在同時提供氮化鎵和碳化硅兩種1700V開關選擇，那用戶該怎么選？閻金光解釋說，主要區別在于氮化鎵成本的顯著降低。“碳化硅的生產成本較高，涉及特殊材料的使用和更長時間的高溫處理，導致其成本較高。相比之下，氮化鎵的成本顯著低于碳化硅，這也是兩者間最大的區別。”當筆者發問，“那這是替代關系嗎？”閻金光回答說，這不是簡單的替代關系。對于某些對環境溫度有更高要求的應用，雖然耐壓相同，但材料的選擇有所不同。
InnoMux-2單級架構大幅提高多路輸出效率
回顧PI以前的應用，1250V耐壓以下的氮化鎵開關主要適用于InnoSwitch-3的單路輸出電源IC產品，而本次推出的1700V氮化鎵開關首先應用于InnoMux-2的多路輸出電源IC。正如之前所述，該產品無需后級的DC-DC轉換，因此減少了后續的Buck或Boost轉換電路，只需單級轉換即可實現高精度輸出。在高壓輸入應用中，母線電壓已提升至1000V，這意味著對于功率開關而言，更大的熱量來源于開關損耗。當母線電壓從750V提升至1000V時，所面臨的最大挑戰是如何降低開關損耗，避免嚴重發熱。
為應對這一挑戰，PI采用了零電壓開關（ZVS）技術，即在開關導通前先將電壓降至0，以此將開關損耗降至最低。通過這種方式，即可在高輸入電壓條件下有效降低損耗，提升效率，還可以顯著降低器件本身的發熱，從而使用現有封裝實現高壓母線下更高的輸出功率。而這次針對更高母線電壓應用推出的F封裝，在設計上爬電間距變寬，得以使得整個電源在高壓下具有更好的可靠性和安全性。
精確將能量引導至有能量需要的輸出
InnoMux-2產品的主要特點是可以實現兩組或三組恒壓輸出，精度可達±1%。每一輸出路徑都設有電壓反饋機制。“在過去，多路輸出系統通常僅有一路輸出設有反饋，即主輸出，其他輸出則依賴不同的繞組比例來維持穩定。然而，這種方式只能確保主輸出電壓的穩定性，而輔助輸出電壓會因負載變化而波動。這也就是所謂的交叉調整率問題。而在InnoMux-2的方案當中，每一路有了反饋機制后，系統可以實時監測并調整各路輸出的電壓，確保其穩定性。”閻金光解釋說，“在傳統電源中，主輸出與輔助輸出之間的差異可能達到30%以上。當負載完全斷開時，12V的電壓可能會升至16V或18V，這是不可接受的。而我們的InnoMux產品通過為每一路輸出配置反饋機制，確保了所有輸出在任何負載條件下的輸出精度。”
1700V和750V PowiGaN器件具有相同的效率
從750V氮化鎵與1700V氮化鎵的效率曲線可以看到，在400V以下的母線電壓下，兩者的效率一致。在400V以上的母線電壓下，即使達到1000V的母線電壓，1700V的氮化鎵產品仍能實現90%的效率。“這對于高壓應用至關重要。當母線電壓升高時，開關損耗的增加成為提升效率的主要障礙。因此，在高壓應用領域，1700V產品提供了廣泛的應用可能性，而這是750V產品無法實現的。”閻金光指出。
與現有高壓解決方案相比，效率大幅提高
傳統的高壓輸入解決方案被稱為StackFET，即在一個750V的氮化鎵開關上串聯另一個MOS管，形成兩個開關管共同分擔電壓的方式。雖然這種方法可以提高母線電壓，但由于額外的串聯結構，整體效率受到了限制。相比之下，1700V氮化鎵產品在900V的條件下，可以將效率從82%提升至90%，損耗和熱量降低44%。這意味著與傳統StackFET方案相比，該產品可以將效率提升8%。
第三方分析師觀點
根據Yole Intelligence發布的《2024年功率氮化鎵市場報告》，該公司化合物半導體部門市場活動經理Ezgi Dogmus指出：“據我們了解，1700V的額定電壓遠超任何市面上現有的氮化鎵HEMT（高電子遷移率晶體管）。預計到2029年底，功率氮化鎵器件市場將達到20億美元規模，并將擴展至多個領域。與碳化硅器件相比，氮化鎵器件的成本優勢更加突出。”針對這一評價，閻金光補充說：“我們顯著降低了碳化硅器件的成本，這一結論得到了第三方機構的肯定。從Yole這一從第三方角度對我們1700V GaN器件的評價中可以看到，相較于碳化硅，我們的產品在成本上具有更大的優勢。”
大多數電源都是多路輸出電源
全球范圍內，電源類型多樣，包括適配器（即安裝在外殼內的電源，如家用充電器）、單路輸出的開放式電源（散熱條件較好）、以及多路輸出的電源。后者在家電、洗衣機等設備中尤為常見，盡管表面上看似單路輸出，但實際上內部包含多個DC-DC轉換器，形成多路輸出的應用。PI的InnoMux產品非常適合多路輸出的開放式電源應用，尤其是在300至1000V的母線電壓范圍內，適用于工業儀表、電機控制、儲能和太陽能等多個領域。對于AC輸入，傳統方案（例如750V的InnoMux-2時）可能只能達到308V AC電壓。現在，借助1700V的技術，可以支持更高的母線電壓應用。
具有1700V PowiGaN初級開關的InnoMux-2
InnoMux-2 1700V PowiGaN新產品可以實現三組恒壓輸出，最大輸出功率可達70W。“與舊版基于硅的InnoMux-2相比，雖然最大輸出功率有所下降（舊版在308V母線電壓下最高可達到100瓦），但這主要是因為母線電壓提高后，開關損耗增加，導致同樣封裝下的功率輸出受限。不過，通過采用ZVS技術，我們仍然能夠實現70W的最大輸出功率。與StackFET方案相比，其效率提升了10%，無需散熱片，且采用單級轉換。”閻金光解釋說。
RDR-1053：1700V的PowiGaN在雙路輸出工業電源中的應用
在待機模式下，當存在交叉調整率的問題時，為了穩定輸出電壓，通常需要添加假負載，這將影響效率和待機功耗。然而，PI的新方案無需假負載即可保證輸出的穩定，這也意味著可將待機功率提升20%，元器件數量相較于包含DC-DC轉換器的方案減少了50%以上，同時保持每個輸出都能達到1%的輸出精度。
什么是StackFET？
最后，閻金光解釋了StackFET的概念，它是指在一個750V的氮化鎵開關上外加一個MOS管，形成兩個開關管串聯的結構。這樣可以增加總的耐壓能力，但同時也帶來了電路復雜度的增加和效率的損失。“現在，通過使用1700V的氮化鎵開關，我們只需要一個開關管即可實現所需功能，不僅簡化了電路設計，還提高了效率。在1000V的工作電壓下，我們的產品可以實現90%的效率，比StackFET方案高出10%。通過采用零電壓開關技術，我們能夠在母線電壓升高后有效地降低開關損耗，從而實現更高的功率輸出。與傳統方案相比，這不僅減少了外部元件的數量，還將所有功能集成到了一個芯片中。”
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