在我們心中，似乎耐高壓、耐高溫，具有高功率的碳化硅(SiC)則更適合于電力電子、新能源汽車等高壓、高溫環(huán)境的應(yīng)用，而在高頻、高效率轉(zhuǎn)換方面性能優(yōu)異的氮化鎵(GaN)更容易在射頻通信、LED照明、激光器等領(lǐng)域得到廣泛關(guān)注。但現(xiàn)在這種格局正在被打破。

相比于碳化硅器件，氮化鎵器件具有更低的成本優(yōu)勢。Power Integrations(PI)看好氮化鎵的發(fā)展，在最近不到兩年的時間里，已連續(xù)三次刷新氮化鎵開關(guān)的耐壓基準(zhǔn)，成功實現(xiàn)了900V、1250V和最新的1700V的三項全球首創(chuàng)的額定耐壓水平。

此次PI推出的1700V氮化鎵InnoMux?-2 EP是InnoMux?-2系列單級、獨(dú)立調(diào)整多路輸出離線式電源IC的新成員。該IC采用PI專有的PowiGaN?技術(shù)，額定耐壓首次達(dá)到1700V，可實現(xiàn)在1000VDC母線電壓下超過90%的轉(zhuǎn)換效率。它支持最多3組恒壓(CV)輸出，每路輸出的調(diào)整精度都可以控制在±1%以內(nèi)，采用ZVS操作的1700V PowiGaN?、單級變換，并且無需散熱片，相較于傳統(tǒng)的初級功率開關(guān)串聯(lián)疊加的方案，將系統(tǒng)效率進(jìn)一步提升了10%；單級方案的優(yōu)勢在于無需后級穩(wěn)壓器，將元件數(shù)量進(jìn)一步減少了約50%以上；而高精度的輸出則在電源輸出端無需假負(fù)載電路，這樣做可以將負(fù)載端可用的待機(jī)功率增加20%。新成員采用F封裝，爬電間距更寬，也非常適合于1700V高電壓環(huán)境下可能遇到的挑戰(zhàn)，尤其可以避免類似洗衣機(jī)、空調(diào)等應(yīng)用中的灰塵、潮濕環(huán)境引起的拉弧放電等問題。在汽車充電器、太陽能逆變器、三相電表和各種工業(yè)電源系統(tǒng)等電源應(yīng)用中，這種新型器件可取代昂貴的碳化硅晶體管。

潛力巨大的1700V InnoMux?-2 IC

據(jù)Yole Group預(yù)測，從2022年到2028年，GaN功率器件市場規(guī)模將從1.849億美元增長至20.4億美元，復(fù)合年增長率高達(dá)49%。

從2018年的750V氮化鎵開關(guān)開始，到2022年的900V氮化鎵開關(guān)，2023年的1250V氮化鎵開關(guān)和2024年的1700V氮化鎵開關(guān)，PI一直都在積極研發(fā)推出“令人驚艷”的氮化鎵產(chǎn)品。獨(dú)創(chuàng)的PowiGaN?技術(shù)也已廣泛應(yīng)用于PI的眾多產(chǎn)品系列，包括InnoSwitch?IC、HiperPFS?-5功率因數(shù)校正IC以及InnoMux?-2系列單級多路輸出反激開關(guān)IC。

Power Integrations資深技術(shù)培訓(xùn)經(jīng)理閻金光表示，1700V InnoMux?-2的單級架構(gòu)可以大幅提高多路輸出效率。該架構(gòu)采用零電壓開關(guān)(ZVS)技術(shù)，無需依賴后級穩(wěn)壓電路，即可消除相關(guān)級聯(lián)的后級變換而產(chǎn)生的變換損耗。它的輸入電壓可以支持70V到1000V的直流母線電壓范圍，因為每個輸出都有反饋監(jiān)控，所以能夠精確控制2組或3組CV輸出，在不同輸入電壓及負(fù)載條件下精度均可達(dá)到±1%。同時，通過單極穩(wěn)壓精度的提升，避免了DC-DC轉(zhuǎn)換和假負(fù)載，從而有效降低待機(jī)功耗，空載輸入功率可達(dá)到50mW以下。

傳統(tǒng)提高電壓的方法是采用750V PowiGaN?+串聯(lián)另一個功率MOSFET的StackFET(DER-859)架構(gòu)，即通過疊加初級功率開關(guān)來實現(xiàn)耐受更高的母線電壓，但是它的效率非常低，比如在母線電壓高達(dá)900V時，效率可能僅為82%。而現(xiàn)在使用1700V PowiGaN?(RDR-1053)的單管方案可以將效率提升至90%以上，也就意味著將損耗和需要耗散的熱量降低44%，達(dá)到了與750V PowiGaN?器件相同的高效率。

如今大多數(shù)電源都是多路輸出電源，并且一半以上的終端應(yīng)用都是多路輸出敞開式電源，單路輸出敞開式電源較少。1700V InnoMux?-2 EP憑借其高達(dá)300-1000VDC的寬電壓范圍和1700V的額定耐壓能力，可應(yīng)用于高壓多軌電源應(yīng)用場景，如工業(yè)控制、儀表、電機(jī)控制、儲能、太陽能等領(lǐng)域。而對于輸入電壓高達(dá)308VAC的應(yīng)用場景，如計算機(jī)CPU、微控制器（MCU）、數(shù)字信號處理器（DSP）、通信設(shè)備、功能性電源（包括傳動裝置、電機(jī)、照明、加熱器、揚(yáng)聲器、家電等）、電視機(jī)、顯示器等，InnoMux?-2 EP系列也提供了650V/725V/750V多種額定耐壓型號供選擇，以適應(yīng)傳統(tǒng)的消費(fèi)類電子產(chǎn)品的寬壓輸入范圍。

Power Integrations技術(shù)副總裁Radu Barsan表示：“我們快速推進(jìn)氮化鎵產(chǎn)品的研發(fā)，在不到兩年的時間內(nèi)實現(xiàn)了三項全球首創(chuàng)的額定耐壓水平：900V、1250V以及現(xiàn)在的1700V。我們的新型InnoMux-2 IC整合了1700V氮化鎵技術(shù)和其他三項最新創(chuàng)新技術(shù)：獨(dú)立、精確的多路輸出調(diào)整技術(shù)；FluxLink?次級側(cè)控制(SSR)數(shù)字隔離通信技術(shù)；以及幾乎消除了開關(guān)損耗的不需要有源鉗位的零電壓開關(guān)(ZVS)技術(shù)。”

Yole Group化合物半導(dǎo)體部門市場活動經(jīng)理Ezgi Dogmus表示：“據(jù)我們所知，1700V額定耐壓大大高于任何其他市售的氮化鎵HEMT（高電子遷移率晶體管）。到2029年底，功率氮化鎵器件市場規(guī)模將達(dá)到20億美元，并將擴(kuò)展到各個應(yīng)用領(lǐng)域，與碳化硅器件相比，其成本優(yōu)勢更具吸引力。”

氮化鎵是目前能同時實現(xiàn)高頻、高效率、高功率、耐高壓的代表性材料，目前在消費(fèi)電子充電器、電源適配器等領(lǐng)域具有相當(dāng)強(qiáng)的滲透力。而隨著1700V高氮化鎵開關(guān)耐壓基準(zhǔn)的到來，氮化鎵有望逐漸在消費(fèi)電子電源、電動汽車OBC、數(shù)據(jù)中心電源、太陽能光伏逆變器等領(lǐng)域占據(jù)主力地位。未來，PI也將持續(xù)推出更大電流、更高電壓水平的氮化鎵器件，不斷推動高電流、高電壓GaN技術(shù)的商業(yè)化，在實現(xiàn)節(jié)能減排、產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級中發(fā)揮更加重要的作用。