德州仪器进军中压氮化镓，进一步替代传统硅基市场
发布日期:2024-03-17
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近日，德州仪器推出了全新的100V氮化镓——LMG2100和LMG3100系列产品，补充了公司在100V左右中压市场的空白。借助新一代氮化镓，以及热增强双面冷却封装技术，可简化中压应用的热设计并实现大于1.5kW/in3的超高功率密度。
德州仪器氮化镓业务负责人杨斐博士详细介绍了该产品以及氮化镓在中压市场的新动向。
德州仪器广泛的氮化镓产品组合
功率密度贯穿电源设计趋势始终
杨斐表示，随着AI、电动汽车、能源等行业应用越来越复杂，处理器及系统的功耗越来越大，这也对电网和电源提出了更高要求。在功率提升的同时，整个系统的尺寸并没有变化，比如服务器还是传统的机架，汽车上留给电源的尺寸不变，新能源行业也需要设备越来越小型化，集成化。
功率密度的提高通常与效率或成本等其他领域的发展息息相关。一般而言，功率转换效率的根本性提高可减小解决方案的尺寸。减小尺寸会产生一系列连锁反应，物理材料更少、组件更少、成本结构更好、解决方案集成更多以及总体拥有成本更低，从而实现成本的节省。
第三代半导体代表之一的氮化镓，相比传统的硅器件有更低的开关损耗，以及更高的开关频率。更高的开关频率可以选择更小的电感、变压器和电容，从而提升电源系统的功率密度。
“具体系统效率的提升取决于拓扑，比如针对微型逆变器，硅器件的效率一般在 94% 到 96%，如果使用氮化镓则可以轻松达到 98%。”杨斐举例道。
当然还有其他的应用，比如共驱系统。电驱系统可以通过电源设计频率的提升，对电机、输出 THD、散热及成本等参数实现优化。
电源优化器方框图
高集成的氮化镓
杨斐表示，氮化镓由于频率高，因此开关的dv/dt、di/dt都是快速切换的，这就给驱动、PCB布线等设计带来了巨大挑战。
“TI的做法是把氮化镓的功率器件和驱动集成在一起，通过优化内部参数和驱动，可以充分发挥出氮化镓的优势，用户无需考虑额外的布局布线问题，同时也可以确保产品一致性。”杨斐解释道。
LMG2100产品功能图
根据TI给出的数据，相比于传统硅，采用集成驱动的氮化镓系统可以将PCB面积缩小40%，一方面是通过氮化镓实现，另外则是通过高集成简化了驱动设计。
除了驱动之外，TI的氮化镓产品还集成了诸多保护功能，包括过流、短路、欠压、电流检测、过温保护等等，比如内部自举电源电压钳位，可防止 GaN FET 过驱动。
另外则是TI在封装上的创新。此次新品，TI采用了双面冷却封装技术，增强了散热水平，从而进一步提高了功率密度。
杨斐表示，DC/DC转换模块商目前都接受了氮化镓的优势，且正在各类开发过程中，每个厂家都有独特的拓扑、优化等不同的考量，因此目前对于兼容性的可替换性需求不大，客户也不需要不同厂商产品的兼容，因此更高集成度的产品是目前客户最喜欢的方式，可以加速他们的创新过程。
中压氮化镓的广泛应用
在TI《GaN 将革新四种中压应用的电子设计》白皮书中，TI指出了除了业界已经采用的高压 GaN（额定值 >=600V）外，新的中压 GaN 解决方案（额定值 80V-200V）也日益受到欢迎，可在高压 GaN 之前无法支持的电源系统中实现更高的功率密度和效率。
TI例举了四个中压氮化镓潜在的应用爆点。包括在太阳能微型逆变器、电源优化器中的DC/DC，服务器中的电源单元（PSU）、中间总线转换器（IBC）、电池备份单元，电信电源以及电机驱动。
服务器电源方框图
另外，包括通用直流/直流转换、D类音频放大器以及电池测试和化成设备等场景，都可以充分利用氮化镓高开关频率低功率损耗的特性。比如针对精密伺服系统，氮化镓可以减少电路尺寸，提高转矩并减少纹波。而对于D类音频放大器，氮化镓可以提高工作频率保持高效率的同时，降低信号的失真度。
而为了充分体现氮化镓的优势，TI也是一口气推出了六个参考设计，涵盖了方方面面的应用。
参考设计一览
总结
手机充电器中正在广泛使用氮化镓，这证明了市场对于该产品的接受度越来越高，也越来越意识到其高功率密度的特性。随着TI等大型电源供应商进入中压市场，相信会有越来越多的功率相关场景尝试氮化镓，其优势也将不止在快充上得以充分体现。
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