PI再引氮化镓商用化发展“芯”浪潮

由智能手机充电器为代表的消费电子领域是目前氮化镓商用的主要成长动力。而随着技术日趋成熟，氮化镓产品正逐步进入到汽车、工业及通信领域。

氮化镓的普及在于其高频、高效、高电压、高耐温以及大功率等的优异性能。这些特性使其非常适用于光电子、射频和功率开关应用。有分析预测，汽车和移动行业的氮化镓需求将从2021年的530万美元增长到2027年的3.089亿美元，复合年增长率高达97%。电信/数据通信也将以69%的超高年增长率增长，到2027年将达到6.178亿美元。

在氮化镓布局方面，深耕于高压集成电路高能效功率变换领域的知名公司Power Integrations（以下简称PI），率先采用独家PowiGaN技术，推出内置氮化镓功率器件的高集成电源芯片，合封氮化镓芯片的概念也因此诞生。而后在2019年9月24日完成了第一百万颗氮化镓芯片的交付，证明其在氮化镓市场上享有极高的占有率。2023年3月21日，在2023美国国际电力电子应用展APEC上PI推出面向汽车、家电及工业类应用的全新900V PowiGaN芯片——InnoSwitch-3系列的900V反激式开关芯片，再次引领高压氮化镓芯片商用化发展。

解决恼人的温升问题的高手——900V InnoSwitch3-EP

我们知道，InnoSwitch-3系列是一个高度集成的反激方案。该芯片在单一封装当中同时集成了初级和次级电路，使用快速的数字隔离反馈方式–FluxLink™，空载功耗低于10mW，基于PowiGaN的芯片在整个负载范围内的效率高达95%，在封闭式适配器应用当中无需散热片即可实现高达100W的输出功率。

PI目前在售的氮化镓器件的最大耐受电压是750V，今天推出的InnoSwitch-3系列反激式开关芯片的最高电压是900V，进一步增加了设计裕量和耐用性。在芯片封装不变的情况下，相比900V硅器件，900V氮化镓器件的效率更高，功率更大。据Power Integrations资深技术培训经理Jason Yan介绍，900V PowiGaN扩展了电压范围且提升了效率，效率提升1.5%可使功率损耗减少20%。

使用宽禁带材料的器件可以极大降低温升，减小电源尺寸。比如在400V DC输入60W负载的条件下做温升测试，725V硅开关的InnoSwitch3-EP INN3677C最高温度可以达到100.6℃，1700V碳化硅开关的InnoSwitch3-EP INN3649C可以达到89.2℃，采用900V PowiGaN开关的适用于工业应用的InnoSwitch3-EP INN3699C可以将温度降低到78.1℃，满足器件在恶劣工作条件下正常工作的需求。

简化电动汽车功率架构的秘诀——InnoSwitch3-AQ

轻量化、高压化是电动汽车的重要发展方向。目前电动汽车有去掉或者缩小12V电池组体积的发展趋势，这将有利于减少整车重量，节省空间、成本以及降低维护要求。而将电池电压从400V加倍至800V可降低功率变换期间所需的电流，从而减少损耗并提高功率保持能力，且可以进一步降低整车重量，延长行驶里程。这一系列的变化将对所需的电力电子器件提出更高的耐压要求。

在谈及去掉12V电池组如何实现时，Jason Yan指出，在集成的充电控制单元中，我们可以用高压的动力母线电池跟一个辅助供电单元（APU）的相通，这时可以使用InnoSwitch3-AQ器件实现该APU电源。这个APU和另外一个APU，再加上一个60-100W待机电源，一同为12V低压负载并联供电，就可以去掉原来的蓄电池。还有一种方法是直接用高压为原来的12V负载供电，比如将转向助力等低压负载的功率移到高压负载的功率中去，这可以降低APU（高压转12V电源）的使用需求。

值得一提的是，汽车应用中必备的应急电源EPS，总是要保证在任何情况下都能将高压转到12V的低压输出，这就需要多个InnoSwitch3 IC进行转换。Jason Yan介绍了一款超薄的使用高效GaN开关的100W汽车用EPS。所有的器件都采用车规认证器件，且有极少的元件数目（80个元件）。它的输入电压范围是30–500VDC，输出是13.6V/6.5A，并且可以在负载范围内维持高效，比如在50%以上负载时，效率可达到93%以上，在10%以上负载时，效率可达到85%以上（远高于市场平均的70%的效率）。而且由于是用于汽车系统需要满足汽车行业主流的高可靠性和安全性法规，PI在设计时采用车规认证(AECQ)元件，采用FluxLink™方式来满足加强绝缘的要求。该方案利用FluxLink实现的次级侧稳压的方式可以保证更高的稳压精度，从而可以节省后级的DC-DC稳压电路。不但降低了成本，节省了空间，还可以大大降低整个系统测试验证所需的时间和成本。

“功率变换的未来在于GaN”，Jason Yan解释说：“从费效比上来看，GaN技术可以以更低的成本实现更高的效率。从消费者的使用体验上来看，PI可以把产品分类细化，适合不同的应用的使用需求，利于客户基于功率变换应用选择合适的产品，优化性能和成本。用户可以根据具体使用条件选择不同功率/电压等级的硅开关、氮化镓开关和碳化硅开关。PI 新推出的900V耐压的GaN产品增加了输出功率及设计裕量，适用于400VDC的汽车系统，服务器辅助电源及路灯照明。”

凭借更高效、更小巧、更环保的供电承诺，氮化镓正展现出在汽车、工业、电信/数据通信等应用中的广阔前景。未来它在这些应用中如何发展，以及它在电源电子领域中发挥怎样的作用，将值得关注。期待以科技创新引领行业发展的老牌电源芯片厂商PI，带来更多令人惊艳的新品。