900V PowiGaN ——汽车、工业、及家电类应用市场的“新宠儿”

　　前言

　　近日，Power Integrations（PI）举办新品媒体线上沟通会，公司资深技术培训经理 Jason Yan 介绍了即将在美国 APEC 展（国际电力电子应用展）上发布的一款重要新品—— 900V PowiGaN 氮化镓（GaN）产品。

　　据了解 PI 之前有 650V、725V、900V 硅器件，后来发布的氮化镓器件耐压为 750V。PI 现在把硅器件 900V 耐压产品的性能延续到了氮化镓产品当中，以应用在汽车、工业及家电类应用市场。

　　汽车、工业、及家电类应用的市场驱动力

　　目前汽车、工业及家电类应用市场的市场驱动力主要来自三方面。

　　首先是日益增加的功率需求。随着电脑、家电、工业类应用的发展，微处理器的处理能力不断提高，功耗也明显增加；在一些 IOT（物联网）应用，也就是我们所熟知的智能家居，要求具备无线通信功能才能实现万物互联效果；而越来越多的家电像大型冰箱增加了触摸屏和照明功能；市场中还有某些应用其峰值功率的需求也在不断增加；再有就是现在电动汽车的趋势是去掉 12V 蓄电池，这种种迹象表明我们对辅助供电电源的功率需求与日俱增。

　　其次是负载范围内更高的效率需求。在很多家电应用当中，需要满足总能耗的指标要求。家电等大型设备并不总是工作于满载工作模式。设备在轻载和中度负载条件下的效率对于满足总能耗要求至关重要。此外，客户也有不断增加的对电源产品小型化的追求，这就需要设计当中必须做到散热的简化。这些应用当中的辅助供电电源需要能在负载范围内能提供更高的效率和更高的待机输出功率，同时具备更小的系统尺寸。

　　最后就是不断升高的供电电压需求。电动汽车架构已经从 400V 的母线切换到 800V，内部辅助供电单元的输入电压及所用功率开关管的耐压都需要有相应的提高；而对于室外照明的应用，越来越多的设计也需要由三相电供电；世界上还有一些地区的电网供电电压极其不稳定，这些都需要有相应的耐压更高的电源变换 IC 产品来满足此类恶劣用电环境的应用。

　　以上三方面的市场驱动力驱使 PI 开发出更高功率、更高耐压的氮化镓产品，于是 900V（GaN）氮化镓产品应运而生。

　　具有独特优势的 InnoSwitc3产品——高度集成的反激方案

　　PI 之前开发了高度集成的反激方案 InnoSwitch3，其架构具有独特的优势。

　　它可以在单一封装中同时集成初级和次级电路，而初次级之间通过快速的数字隔离方式 FluxLink （磁感耦合）进行信息沟通，可以将次级的电压电流信号传到初级控制器，由控制器决定开关状态，最终实现稳定的输出电压或电流；

　　由于在次级侧集成了同步整流驱动，效率高达 95%；并且采用的是一种数字反馈方式，控制器本身的功耗比传统的 PWM 控制方式更低。这种控制方式可以将空载功耗做到小于 10mW；此外基于 PI 独有的封装研发能力，其功率器件散热更佳，哪怕在高达 100W 的应用当中也可以不使用散热片。

　　初级功率开关的优化：Si，Gan 及 SiC

　　初级功率开关一般都会根据不同输入电压选择不同材料的器件，PI 现有系列产品有三类材料。一类是硅开关，目前有 650V、725V 和 900V。不同耐压的硅器件针对不同的 VDS 耐压需求；另一类是氮化镓器件，目前 PI 已经发布的氮化镓器件是 750V，用于功率比较大的应用；还有一类是碳化硅（SiC），其耐压达 1700V，可以耐受更高的母线电压。

　　不同的耐压可以应对不同输入电压的应用。由于变压器漏感的影响，功率开关管一般需要留有 10% 的电压降额。如果考虑到雷击、噪声等影响，甚至需要把降额增加到 20%。所以工程师需要根据不同的裕量、不同的工况或者不同降额大小的要求来选用不同的初级功率开关管。

　　目前在工业类或某些汽车应用中，比如 EPS（应急电源）应用，使用 SiC 的功率开关其耐压可以做到 1700V。在汽车应用当中需要满足 AEC-Q100 车规认证要求。其中 PI 的 900V 硅器件、750V 氮化镓，1700V SiC 都通过了 AEC-Q100 认证。对于其它的工业类应用，可以使用高耐压非车规的一些型号，例如 725V、900V 的硅器件，750V 的氮化镓，1700V 的 SiC 器件。

　　PI 目前推出的 900V 耐压 GaN 增加了电压裕量，增强了产品和耐用性。将耐压从原来的 750V 增加到 900V。在 IC 封装不变的情况下，与硅器件相比效率更高，功率也更大。

　　该产品扩展了电压范围，同时提升了效率。对于反激的辅助电源应用来讲，随着母线电压的增高，开关损耗就会相应增加，效率就会越低。对于 650V 或 725V 的硅器件，难以应对更高母线电压的应用。而如果将硅器件的耐压抬高之后，由于其过大的晶圆面积，又对封装提出了更高的要求，无法达到所需的更高的功率输出能力。

　　从效率与输入电压的关系曲线中可以看到，在 400VDC 输入情况下，采用 900V 氮化镓的效率相比其他器件改善了 1.5 个百分点，这意味着热量（功率损耗）减少了 20%，有助于缩小电源体积以及 PCB 的尺寸，从而实现更小体积、更高功率密度的设计。

　　宽禁带器件具备结温更小、温升更低的优势。60W 电源的温升测试表明，在 400VDC 输入情况下，与 725V 硅开关相比，1700V 碳化硅温升从 100 ℃降到了 89 ℃。如果采用 900V 的氮化镓开关，温升则会降到 78 ℃。尽管效率提升只有 1.5 个百分点，但温升改善达 20 ℃，这对环境温度比较高的汽车类应用尤其重要。

　　利用 InnoSwitch3-AQ 简化 EV 功率架构

　　InnoSwitch3 除了在很多工业类应用中使用，也可以用于汽车应用。

　　EV 仍然在使用铅酸电池

　　电动汽车的功率架构与燃油汽车不同，但都会有一个 12V 铅酸蓄电池。尽管电动汽车中有 400 或 800V 高压动力电池，但铅酸蓄电池仍然在电动汽车当中为 12V 的低压负载进行供电。目前的电动汽车当汽车停止使用时，其告警、通讯及其它待机负载仍由此外接的低压蓄电池供电。

　　集成充电控制单元中的 DC-DC 高压之后有高压功率配电模组 PDM，给 AC 压缩机或客舱加热供电。后面的高压电池组就是动力电池，需要有电池管理系统（BMS）。此外，还有引擎控制单元、保险丝、接触器、热管理等，以在故障情况下将动力电池和牵引逆变器断开，防止在撞车或故障情况下高压对人身安全产生危险。高压功率模组给高压电池充电，然后提供给逆变器以驱动电机和车轮。

　　12V 电池的消除有利于减小重量、空间、成本、降低维护要求

　　而电动汽车中的 12V 电池并不会像在燃油车当中一样，需要提供瞬间的汽车启动电流。实际上，电动车中的 12V 铅酸蓄电池可以被缩小，甚至可以完全被去掉。此时，就可使用多个 InnoSwitch3-AQ 组成的电源为低压负载供电，而采用 900V 耐压氮化镓的单个 InnoSwitch3-AQ 的输出功率可达 100W。可以更好支持了未来 12V 电池体积缩小以及消除的新的汽车功率架构的应用。

　　另外，汽车当中往往还需要一个 60W 至 100W 输出的待机电源。其主要作用是在汽车停止期间以更高的效率给低压 12V 负载供电，延长整车的待机时长。该电源的输入来自于高压的动力母线电池。

　　根据不同电动汽车的功率架构，转向助力的供电往往来自于 12V 的低压，但转向助力是有峰值功率要求的。这样就需要有多个 APU 并联为 12V 低压负载供电，提供足够的功率冗余。进而可以去掉或缩小原来的 12V 铅酸蓄电池。

　　电动汽车功率架构改进的另一个发展趋势就是，既然转向助力有峰值功率要求，目前一些车企正在考虑不用 12V 供电，而由高压动力母线电池来供电。这样就将很大一部分低压负载的功率转移到高压负载，从而降低了对 APU 的使用需求。

　　采用高效 GaN 的 100W 汽车用 EPS

　　PI 的高效氮化镓 100W 汽车用 EPS 电源元件数目很少，大概在 80 个左右，高度也非常薄。在汽车应用中，多一个器件可能增加不了多少成本，但工程师在验证系统安全性时则需要花大量的时间做大量实验，以保证每个器件在出现失效时汽车是安全的。PI 的这个低元件数方案可极大地缩减电动汽车的测试认证时间，同时还可大幅度提升电源的可靠性。

　　经过测试，当 EPS 输入为 30 到 500Vdc，输出 13.6V/6.5A，50% 以上负载条件下效率大于 93%，10% 负载以上时，效率仍然能够大于 85%（一般采用 PSR 工作的 EPS 方案为 70% 左右），这也是 PI 高效同步整流的效果。另外，该产品采用 FluxLink 方式能够满足加强绝缘要求，而且次级稳压方案稳压精度非常高，可以省掉后面的 DC-DC。

　　所以，无论是温升、元件数目还是可靠性方面，采用高效 GaN 的方案都会有大幅改善。

　　未来，PI 很多产品都会逐步采用氮化镓。900V 耐压氮化镓的推出增加了输出功率，同时也改善了设计裕量，可以使 400VDC 母线汽车系统更加安全。该产品也适合输入电压范围非常宽泛的三相供电服务器类辅助电源以及输入电压更高的路灯照明等工业类供电应用。而 PI 已经推出的 1700V 耐压的碳化硅器件，则可以用于满足 800V 汽车母线和更高三相工业电压供电的应用。

　　总结

　　从发展趋势看，GaN 技术能够以更低的成本实现相对较高的效率。PI 的多种方案可以说是量身定做的，即针对不同的功率变换应用选取不同的功率开关。举例来说，假设应用当中功率开关流过的电流比较小，GaN 的低导通损耗优势就发挥不出来，这时就可以使用硅开关作为最佳方案。

　　而随着使用功率的增加，PI 采用氮化镓开关的方案在设计上也不需要使用者有什么特别的考量，使用者唯一能体会到的就是温升更低，功率更大，效率更高，非常容易进行切换。多样化的功率开关产品可以适应不同的应用环境，产品细分的好处就是可以成本和性能之间做出最佳选择。