常見的整合式 GaN 功率級解決方案

常見的整合式 GaN 功率級解決方案

目前市面上已經有許多整合式 GaN 功率級解決方案,像是 Infineon CoolGaN ™ Drive、onsemi Vertical GaN(GaN‑on‑GaN)、TI GaN Power Stages(LMG36xx / LMG26xx / LMG34xx)等解決方案,各個解決方案均有其技術方案與定位,以下將說明它們之間的差異與應用取向。

新一代矽、氮化鎵和碳化矽技術的關鍵性能指標,及其對基本開關操作的相關性比較(來自 Infineon

InfineonCoolGaN ™ Drive 系列的核心定位是基於 Infineon 自家 CoolGaN ™ GaN 電晶體所推出的整合式閘極驅動功率級解決方案,方向在於在中壓至高壓電源與變頻應用中簡化設計和提升性能。CoolGaN ™ Drive 系列具有在 600–700 V 級別上提供單開關與半橋(half-bridge)元件,將 GaN FET 與智慧閘極驅動器整合在單一封裝中,可支援可調 dv/dt、內建保護(過電 OCP、過溫 OTP、短路 SCP 等),某些型號還整合了無損耗電流感測(lossless current sense),利於電流偵測與保護功能,並透過整合驅動與封裝設計顯著降低寄生電感與 EMI 風險,提升系統穩定性與效率。

半橋 LLC 的原理圖(來自 Infineon

Infineon CoolGaN ™ Drive 系列的適用場景包括中高電壓 AC/DC 轉換(如適配器、電動工具電源、工業電源)、典型中頻(大於 200 kHz)電源拓撲等。CoolGaN ™ Drive 系列具有設計容易度提升、BoM 降低、高功率密度與效率、良好的保護與耐久性等優勢,並有半橋配置選擇,可用於圖騰柱 PFC、LLC 等拓撲。

onsemi 的 Vertical GaN (垂直 GaN)不是單純的整合式驅動功率級,而是新一代功率元件架構,其 GaN 層直接生長於 GaN 基板上,使電流垂直通過晶片(從頂到底),與傳統橫向 GaN HEMT 不同。此種電流垂直流動結構設計方式,可實現更高的耐高壓、高電流能力與更低熱阻,預期達到比橫向 GaN 更高的功率密度與效率,在 AI 資料中心、電動汽車變頻器及大功率 DC-DC 應用更具優勢,目標電壓可達 1200 V 或更高,擴大到 SiC 等寬能隙元件的電壓等級。

Vertical GaN 的 3D 結構(來自 onsemi

一般的橫向 GaN(CoolGaN™、TI LMG 系列等)以低至中電壓範圍為主(通常小於 800 V),Vertical GaN 旨在填補高電壓(大於 1 kV )領域,並具備更佳的功率密度和散熱。主要應用於資料中心的800 V DC-DC 轉換、電動汽車馬達變頻、大型儲能和再生能源系統等。

TI 的 LMGxx 系列則為整合式 GaN 功率級,在一個封裝中結合 GaN FET、閘極驅動器、保護功能(UCP/OCP/OTP)與電流感測元件,是典型的 “半橋功率級”。LMGxx 系列有不同的子系列,包括 LMG26xx / LMG36xx / LMG34xxLMG26xx 系列支援 650 V GaN 半橋,內建驅動與電流感測,適合中頻開關電源。LMG36xx 系列(如 LMG3622LMG3624LMG3626)為 700 V 類型,整合 GaN FET 與驅動器,支援可調開關壓擺率(Slew Rate)控制以減緩 EMI、振鈴問題,內建過電流保護、過溫保護、欠電壓鎖定(UVLO)與低靜態電流設計。LMG34xx 則是另一組 GaN 功率級產品,可配合 TI 的評估板以快速測試高頻表現。

LMG2610 簡化方框圖(來自 TI

TI 的 LMGxx 系列的技術亮點包括可提供整合化電流感測,以降低外部感測元件,並可設定開關壓擺率,有助於 EMI/振鈴控制,高整合度使 PCB 佈局更簡單、寄生效應降低。典型應用包括 AC/DC/DC/DC 電源、USB-PD 充電器、PFC/LLC 轉換器、工業電源等。

整體來說,Infineon CoolGaN™ Drive 重點在於 “易用性與整合化”,降低設計門檻、加速 GaN 應用採用。onsemi Vertical GaN 則著眼於高電壓與高電流市場,是一種次世代 GaN 架構,目標超越現有橫向元件限制。TI LMG 系列則是成熟的 GaN 功率級產品線,以系統化高整合方案支援各類標準功率電源轉換應用。


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