今天，在功率電子領(lǐng)域，氮化鎵（GaN）正在取代硅（Si）器件，成為越來越多大功率密度、高能效應(yīng)用場景中的主角。

這一重要的技術(shù)迭代之所以會發(fā)生，根本的原因在于GaN作為第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料，具有Si材料無可比擬的性能優(yōu)勢，用它打造的功率電子器件具有更高的工作電壓、更高的開關(guān)頻率、更低的導(dǎo)通電阻、更高的效率、更緊湊的外形等特點，可以突破傳統(tǒng)Si基器件的性能瓶頸，將功率電子技術(shù)帶入一個新紀元。另一方面，仔細觀察后我們會發(fā)現(xiàn)，隨著技術(shù)和工藝上的不斷進步，很多先前橫亙在GaN商用之路上的障礙正在逐漸被克服，這也是近年來GaN技術(shù)和應(yīng)用快速發(fā)展的重要驅(qū)動力。

突破GaN技術(shù)應(yīng)用的瓶頸

具體來講，較高的成本、有限的應(yīng)用和不夠完善的技術(shù)生態(tài)——這三個曾經(jīng)被認為是制約GaN廣泛應(yīng)用的瓶頸，現(xiàn)在正在被突破。

與成熟的Si基器件相比，成本一直是GaN器件商用進程中的“攔路虎”。但隨著GaN器件應(yīng)用的深化，越來越多的開發(fā)者意識到：盡管從芯片層面對比，GaN器件仍然比Si基器件貴，但從系統(tǒng)層面考量，GaN器件的應(yīng)用則可以在系統(tǒng)成本相當?shù)那闆r下，顯著提升系統(tǒng)性能，為用戶帶來更高的投資回報。

例如，在100兆瓦數(shù)據(jù)中心中，使用基于GaN的電源管理系統(tǒng)，即使效率僅增加0.8%，也能在10年間節(jié)約700萬美元的能源成本——這些節(jié)省的電力足夠80,000個家庭使用一年。在系統(tǒng)設(shè)計層面上，GaN器件的高效率帶來的磁性元件和風扇等散熱組件尺寸的減小，也有助于降低PSU系統(tǒng)整體成本。此外，由于GaN器件的制造工藝可與Si基半導(dǎo)體工藝兼容，因此其未來降本的空間也更值得期待。 從應(yīng)用場景上看，GaN器件近年來也找到了不少規(guī)模可觀的目標應(yīng)用，逐漸確立了穩(wěn)固的市場根基。比如，憑借出眾的性價比，GaN器件已經(jīng)成功殺入消費級市場，成為中高端充電頭中的主流技術(shù)?？煽啃缘奶嵘?，也使得GaN器件得以在光伏新能源系統(tǒng)等要求嚴苛的應(yīng)用中落地——Si器件在可靠性上通常符合ESD22、JESD47、AEC-Q100、IEC 61000-4-5、VDE0884-11等標準，而GaN器件在此基礎(chǔ)上，還滿足JEP173、JEP182、JEP122、JEP180等更為嚴格的可靠性標準要求。GaN器件應(yīng)用領(lǐng)域的拓展和市場規(guī)模的擴大，反過來也會拉動GaN技術(shù)的長足進步。 成熟的技術(shù)生態(tài)，曾經(jīng)被認為是Si基功率器件抵御GaN技術(shù)挑戰(zhàn)的“護城河”，不過如今這樣的壁壘正在隨著GaN不斷提升的性能（如零Qrr、低Coss、低Qg、更高的開關(guān)頻率、比同類封裝中Si器件更低的RDSon等），以及日趨完善的技術(shù)生態(tài)，逐漸被削弱。一個明顯的例子，就是GaN專用柵極驅(qū)動器的發(fā)展。

眾所周知，GaN功率器件具有獨特的結(jié)構(gòu)和電學特性，想要在系統(tǒng)設(shè)計中實現(xiàn)出色的性能，需要與之配套的專門優(yōu)化的柵極驅(qū)動器的支撐，比如：

GaN器件通常閾值電壓較低，且柵極電容具有非線性的特性，要求柵極驅(qū)動器具備更高的電壓精度控制能力。

GaN器件柵極電容較小且隨電壓變化明顯，要求柵極驅(qū)動器能夠提供快速的充放電電流，以確保器件在納秒級時間內(nèi)完成開關(guān)動作，減少開關(guān)損耗。

GaN器件在高頻開關(guān)過程中會產(chǎn)生較強的EMI噪聲，要求柵極驅(qū)動器具備良好的抗干擾能力，以保證驅(qū)動的信號完整性。

這些挑戰(zhàn)使得GaN技術(shù)在發(fā)展初期，面臨著柵極驅(qū)動器“一芯難求”的困境。不過經(jīng)過業(yè)界多年的努力，隨著越來越多GaN專用柵極驅(qū)動器產(chǎn)品的面市，這樣的困境已經(jīng)不復(fù)存在。

特別值得一提的是，為了進一步提升性能和易用性，集成驅(qū)動器解決方案——即將驅(qū)動器和GaN FET集成在一個器件中——也獲得了長足的發(fā)展。比如，Texas Instruments（以下簡稱TI）通過在芯片中集成柵極驅(qū)動器和相關(guān)保護功能，推出了獨具特色的、高集成的GaN功率級產(chǎn)品，進一步簡化了GaN應(yīng)用設(shè)計，便于開發(fā)者更大程度地利用GaN的技術(shù)優(yōu)勢，為更廣泛的功率電子應(yīng)用賦能。

以新能源應(yīng)用為例，TI的集成式GaN功率級有助于減少分立的驅(qū)動器以及外部傳感器和保護電路所占用的空間，實現(xiàn)更緊湊的系統(tǒng)設(shè)計，在光伏和風力發(fā)電以及儲能系統(tǒng)中，為AC/DC整流、DC/AC逆變以及雙向DC/DC轉(zhuǎn)換等應(yīng)用提供更小、更高效、更可靠的電源管理解決方案，打造靈活可擴展的能源基礎(chǔ)設(shè)施。

具體來講，TI的GaN功率器件為新能源系統(tǒng)設(shè)計帶來的優(yōu)勢包括：

比現(xiàn)有AC/DC和DC/DC轉(zhuǎn)換器的功率密度高3倍（>1.2kW/L）,且重量更輕。

與SiC FET相比，提供高達140kHz快速開關(guān)性能，將功率密度提高了20%。

GaN器件更高的開關(guān)頻率，允許采用較低成本的磁性元件，有利于總體系統(tǒng)成本的優(yōu)化。

圖1：集成式GaN功率級適用于光伏和儲能等高能效、高可靠電源系統(tǒng)（圖源：Texas Instruments）

集成驅(qū)動器的GaN功率級

在傳統(tǒng)的GaN系統(tǒng)解決方案中，GaN FET和柵極驅(qū)動器是兩顆分立的器件，這主要是因為兩者是基于不同的工藝制造的，集成在一起并不容易。

然而，由于GaN FET的開關(guān)速度比Si-MOSFET要快很多，采用分立方案時，兩個在不同封裝中的器件彼此間的焊線和引線會產(chǎn)生寄生電感，當GaN FET以每納秒數(shù)十到幾百伏的高壓擺率進行開關(guān)操作時，這些寄生電感會導(dǎo)致開關(guān)損耗、振鈴和可靠性等一系列問題。

而如果將GaN FET與柵極驅(qū)動器集成在一個封裝內(nèi)，則可以消除共源電感，并極大地降低驅(qū)動器輸出與GaN FET柵極之間的電感，以及驅(qū)動器接地中的電感，進而優(yōu)化開關(guān)性能。加之在這個“整合”的過程中，還可以集成相關(guān)的保護功能，有利于進一步簡化BOM，降低系統(tǒng)成本。

圖2：GaN器件+柵極驅(qū)動器分立式方案(a)與集成式方案(b)的比較（圖源：Texas Instruments）

正是基于這樣的考量，加之自身在混合IC領(lǐng)域深厚的技術(shù)積累，Texas Instruments選擇了集成式的GaN功率級作為主攻方向，并推出了豐富的產(chǎn)品組合，滿足日益多樣化的GaN應(yīng)用所需。

這些集成式GaN功率級產(chǎn)品，覆蓋從80V到650V電壓范圍，支持超過1-20kW的功率電子應(yīng)用，并提供單管驅(qū)動的方案和雙管驅(qū)動的半橋拓撲，且在根據(jù)市場的發(fā)展不斷擴展。

圖3：TI集成式GaN功率級產(chǎn)品組合（圖源：Texas Instruments）

賦能可擴展的GaN應(yīng)用

簡而言之，集成驅(qū)動是TI GaN器件的特色，集成驅(qū)動器的GaN功率級產(chǎn)品，有助于消除柵極環(huán)路中電路寄生耦合導(dǎo)致的柵極噪聲和開關(guān)損耗，顯著提升GaN系統(tǒng)的性能并簡化系統(tǒng)設(shè)計。下文中，我們就一起來深入了解TI集成驅(qū)動器的GaN功率級中幾款優(yōu)秀產(chǎn)品。

LMG3100R0x集成驅(qū)動器GaN FET

該系列產(chǎn)品集成有1.7mΩ（LMG3100R017）或4.4mΩ（LMG3100R044）GaN FET和驅(qū)動器，具有100V連續(xù)/120V脈沖電壓額定值，并帶有高側(cè)電平移位器和自舉電路，柵極驅(qū)動器開關(guān)頻率可達10MHz。該器件還具有內(nèi)置電源軌欠壓鎖定（UVLO）保護和內(nèi)部自舉電源電壓鉗位能力，以防止過驅(qū)（>5.4V）。在應(yīng)用開發(fā)時，可以使用兩個LMG3100R0x器件形成半橋拓撲，無需外部電平移位器。

圖4：LMG3100R0x集成驅(qū)動器GaN FET（圖源：Texas Instruments）

LMG3100R0x采用頂部散熱的QFN封裝，器件底部也有大面積焊盤，實現(xiàn)了很好的熱性能。綜合上述特性，這是一款導(dǎo)通電阻低至1.7mΩ、面向>1kW高頻、高效電源管理系統(tǒng)的理想GaN解決方案，目標應(yīng)用包括降壓-升壓轉(zhuǎn)換器、LLC轉(zhuǎn)換器、太陽能逆變器、電信、電機驅(qū)動器、電動工具和D級別音頻放大器等。

圖5：LMG3100R0x簡化框圖（圖源：Texas Instruments）

LMG2100R0x GaN半橋功率級

該系列是TI面向100V應(yīng)用而設(shè)計的半橋功率級產(chǎn)品，內(nèi)置兩個GaN FET和一個半橋配置的高頻GaN柵極驅(qū)動器，它們被集成在一個完全無引線鍵合的封裝平臺上，更大限度避免寄生電容的影響。

圖6：LMG2100R026 GaN半橋功率級（圖源：Texas Instruments）

其中，LMG2100R026是一款53A半橋功率級，它在僅為7.00mm × 4.50mm的小封裝內(nèi)，集成了兩個GaN FET和一個驅(qū)動器，具有2.6mΩ的導(dǎo)通電阻，93V連續(xù)/100V脈沖額定電壓；專有的自舉電壓鉗位技術(shù)確保了增強模式GaN FET的柵極電壓處于安全的工作范圍內(nèi)；其同樣采用了頂部散熱的QFN封裝，以滿足小尺寸、高頻、高效的功率電子應(yīng)用。

同系列中還有另外一款器件LMG2100R044，導(dǎo)通電阻為4.4mΩ，具有90V連續(xù)/100V脈沖額定電壓、高達35A的ID，為開發(fā)者提供了可擴展的選擇。

圖7：LMG2100R0x簡化框圖（圖源：Texas Instruments）

LMG3522R050 650V GaN FET

如果你想為更高功率應(yīng)用找一款650V GaN FET解決方案，LMG3522R050是一個理想的選擇。該器件中包含集成式驅(qū)動器和保護功能，可實現(xiàn)高達150V/ns的開關(guān)速度。與分立式Si柵極驅(qū)動器相比，TI 的集成式精密柵極偏置可實現(xiàn)更高的開關(guān)SOA，再與低電感封裝技術(shù)相結(jié)合，可在硬開關(guān)電源拓撲中提供“干凈”的開關(guān)和超小的振鈴。

圖8：LMG3522R050 650V GaN FET（圖源：Texas Instruments）

LMG3522R050具有可調(diào)柵極驅(qū)動強度，可將壓擺率控制在15V/ns至150V/ns之間，有利于控制EMI并優(yōu)化開關(guān)性能。該器件的其他特性還包括：零電壓檢測（ZVD）功能，可在實現(xiàn)零電壓開關(guān)時提供來自ZVD引腳的脈沖輸出；高級電源管理功能，提供數(shù)字溫度報告和故障檢測。

圖9：LMG3522R050系統(tǒng)框圖（圖源：Texas Instruments）

LMG3650EVM子卡評估模塊

值得一提的是，為了加速GaN器件的應(yīng)用開發(fā)，TI會在產(chǎn)品發(fā)布的同時，推出配套的評估模塊和開發(fā)工具。比如針對預(yù)發(fā)布的LMG3650R025 650V GaN FET，TI就提供了LMG3650EVM子卡評估模塊，用于該新產(chǎn)品的評估和開發(fā)。

圖10：LMG3650EVM子卡評估模塊（圖源：Texas Instruments）

LMG3650EVM子卡評估模塊將兩個LMG3650R025 GaN FET配置為半橋拓撲，其基本功率級和柵極驅(qū)動、高頻電流環(huán)路在板上是全封閉的，更大程度地減少電源環(huán)路的寄生電感，從而避免電壓過沖，提升性能。其還具有過熱保護、逐周期過流保護、鎖存短路去飽和保護功能，以及用于測試隔離式輔助電源或自舉電源所需的其他輔助外設(shè)電路。

該評估模塊提供插座式外部連接，可輕松連接外部功率級，或與TI GaN主板搭配使用，以便在各種應(yīng)用中運行LMG3650R025，并對其性能進行全面地評估。值得一提的是，在PCB布局上，LMG3650與采用Toll封裝的Si基器件兼容，這也為LMG3650EVM評估模塊帶來更多的選項和靈活性，支持開發(fā)者在系統(tǒng)設(shè)計時探索更多的技術(shù)路徑。

圖11：LMG3650EVM子卡評估模塊框圖（圖源：Texas Instruments）

本文小結(jié)

隨著市場的發(fā)展和技術(shù)生態(tài)的完善，在追求更高效率、更高功率密度、更高可靠性的功率電子應(yīng)用中，GaN器件替代Si基器件的技術(shù)升級之旅正在加速。

TI憑借獨特的集成驅(qū)動式GaN器件，將GaN FET和柵極驅(qū)動器集成在單一封裝中，在提升性能的同時大大減少了系統(tǒng)設(shè)計的復(fù)雜性和成本；與此同時，TI還提供配套的專用軟件設(shè)計工具和硬件評估模塊等資源。

這就好比為開發(fā)者提供了一份GaN開發(fā)的“全家桶”，簡化了元器件選型和系統(tǒng)設(shè)計過程，能夠一站式解決所有設(shè)計難題。