专访PI副总裁：氮化镓还可以走多远？

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。