日前,在Mouser和PI的深度采访中,PI (Power Integrations)营销副总裁 Doug Bailey 阐述了 GaN(氮化镓)技术及其为功率转换行业带来的新可能性。
问:什么推动了宽禁带 (WBG) 器件的市场增长?
Doug Bailey:对于氮化镓 (GaN),效率是影响其他一切的关键驱动因素,从而产生更少的热量、更小的尺寸和更低的成本。 电力领域的基本市场驱动因素是效率和成本。 效率不仅受到监管要求的推动,也受到市场对更小、更轻的电源要求的推动。从成本来看,PI发现,对于具有更高规格的高端电源,GaN是成本最低的方法,因为它节省了散热和复杂拓扑所需的额外开关损耗。
但优化 GaN 的潜力需要新的系统级思维。不再需要被迫使用为硅所发明的旧拓扑,因为 GaN 更接近于理想开关。我的意思是,GaN 器件的开关速度非常非常快,它们具有非常低的栅极电容和非常低的输出电容 COSS。 但这带来了一系列不同的设计挑战。PI发现使用 GaN 的最佳方式是围绕它构建一个系统。 因此,我们在 GaN 中创建子系统,例如 InnoSwitch反激式电源 IC、功率因数校正 HiperPFS-5器件和 LytSwitch-6 LED 驱动器等。 我们已将 GaN 器件推向市场,这些器件应用在笔记本适配器、手机适配器、小型电源、LED 照明等行业,而且未来还会有更多产品。
PI正在遵循相同的碳化硅系统级策略,我们也看到了相同的系统级优势。 在选择使用哪种宽禁带技术时,我们考虑的差异在于电压水平:我们在 1700 伏产品中使用碳化硅,因为其目标是 800 伏汽车应用;但对于400伏汽车应用,我们认为 GaN 是最理想的解决方案。
问:使用宽禁带半导体器件和传统硅基器件之间有何权衡?
Doug Bailey:这是一个复杂的答案,但我认为产品尺寸是决定因素。从尺寸可以计算出可用的热量预算(以便将合适的电源系统安装到该机柜中)。 由此,设计人员可以评估他们需要使用那种功率元件以及哪种拓扑结构。GaN 的优势在于其开关成本较低,这意味着它可以在不使用谐振拓扑的情况下进行开关,类似使用硅实现的结果。但是当使用硅时,需要采用谐振 (LLC) ,这就需要添加更多开关,因此成本更高。而且您会失去动态操作范围,因此会引发输入或输出电压限制的问题。
需要权衡的是采用复杂硅拓扑与采用新技术的成熟度之间的权衡。PI相信GaN新技术经过验证、可靠且坚固耐用,而且它还提供最低的系统成本。 因此,我们建议使用 GaN 解决方案而不是 LLC,尽管我们的组合中也有 LLC。 我们建议使用简单的 GaN 反激式电源,而不是更复杂的谐振电源,因为反激式电源具有灵活性。
问:宽禁带半导体封装的关键考虑因素有哪些?如何解决这些问题?
Doug Bailey:PI是一家子系统公司,而不是一家 GaN 晶体管公司,这是因为我们将开关、GaN、SiC 或硅与其他功能一起集成到一个封装中,以提供集成电源解决方案。 我们并不是试图制造最佳封装来满足功率 FET 的需求,而是为小型反激电源、PFC 器件或 LED 驱动器的多芯片子系统创建最佳封装。 因此,我们的封装挑战是独一无二的。 但PI的基本原则是最大限度地减少引脚数量和封装尺寸,同时考虑到爬电距离的限制,宽禁带半导体并没有任何根本上的改变。
考虑到这一点,PI生产最适合电气、热力和机械级别电源的定制封装。 当我们设计封装时,我们会考虑:
“会不会被隔离?”
“它能很好地传导热量吗?”
“它的强度足以抵抗潮湿吗?”
“它会通过 JEDEC 和汽车测试吗?”
PI在封装方面不断创新。 例如,几年前,我们推出了 Fluxlink,这是一种通信技术,无需使用任何磁性材料或光耦合器即可跨隔离栅传递反馈。FluxLink 提供非常高的通信带宽,可以实现更快的负载瞬态响应。但由于 FluxLink 是一种基于引线框架的方法,因此我们使用标准冲压工具和标准模塑技术。因此,尽管使用多芯片模块方法,但我们不会增加任何成本。
问:如何优化高功率宽禁带半导体器件的热管理以确保可靠运行?
Doug Bailey:关于热管理的一般评论是,PI发现更多的 GaN 比更多的铝更便宜。换句话说,最好首先增加 GaN 晶体管的尺寸并产生更少的热量,而不是随后尝试机械散热加风扇的解决方案。 毫克级的氮化镓比公斤级的铝便宜。
具体来说,最重要的设计考虑因素之一是确保散热器位于源头。 因此,PI确保其器件的封装引线框架中有大量金属暴露出来,可供焊接。有时我们在器件背面有散热,有时我们在一侧有散热。
问:宽禁带半导体器件在电力电子行业的应用将如何发展?
Doug Bailey:由于 GaN 接近理想开关,因此我的观点是,当 GaN 可以时,GaN 就应该这样做。 我认为 GaN 基本上会在较低电压下占据主导地位——电源电压可达 1200 伏; 本质上,在达到一定功率水平时,GaN 将变得无处不在,特别是对于需要在整个负载范围内保持高效的应用而言。 这取决于GaN的技术发展:随着GaN电压的提高,它将取代碳化硅,随着载流能力的提高,GaN将取代IGBT。