面向未来的2200V氮化镓技术，PI重磅发布

过去这些年，伴随着快充等消费级应用的兴起，氮化镓技术逐渐为市场所熟知。但由于早期GaN功率器件主要集中在消费电子领域，市场一度形成了这样的认知：氮化镓虽然具备高频、高效率等优势，但在更高电压、更大功率的应用中，仍面临器件结构、可靠性和工艺等方面的挑战。
 
但其实，行业领先的氮化镓功率器件供应商Power Integrations（以下简称PI）在这些方面有了很多的探索实践。据该公司资深技术经理Jason Yan在日前的一场分享中所说，自2018年以来，公司已经批量生产并交付了750V， 900V、1250V以及1700V的GaN 开关产品。
 
现在，伴随着终端的需求，PI又带来了业界领先的2200V氮化镓技术分享。
 
PI的与众不同
 
之所以PI能够打造能够满足高压需求的GaN，按照Jason 所说，这是因为公司在器件上采用了与众不同的解决方案。
 
从器件结构来看，GaN功率器件主要可以分为D-mode（耗尽型）和E-mode（增强型）两类。简单来说，D-mode器件在没有施加栅极电压时就处于导通状态，因此属于“常开型”；而E-mode则需要施加一定的栅极电压后才导通，属于“常关型”。目前市场上的GaN厂商主要用了这两种方案。
 
“但PI目前GaN产品全部采用水平（Lateral）架构。”Jason说。
 
据介绍，与垂直结构不同，在水平GaN器件中，源极和漏极分别位于器件的两侧，电流沿水平方向流动。这样的器件结构，也决定了GaN耐压能力的实现方式。Gate到Drain之间的距离是决定耐压能力的重要因素之一。
 
“简单来说，当栅极与漏极之间的距离增加时，器件能够承受的电压也可以相应提高。”Jason表示，他进一步指出，，这并不是一个简单的线性关系，还与衬底等多因素有关。而PI通过选用蓝宝石衬底，夯实了公司打造高压GaN器件的底气。
 
Jason表示，蓝宝石在LED等领域已经得到大规模应用，具备成熟的产业基础。更重要的是，与硅衬底相比，蓝宝石本身属于绝缘材料，这一特性有利于GaN器件向更高耐压方向发展。
 
不过，PI的技术路线并非单纯依靠蓝宝石衬底来提升耐压。围绕GaN器件天然“Normally-on”的特性，PI进一步采用了独特的Cascode（共源共栅）架构，将低压GaN与低压MOSFET进行串联，通过控制低压MOSFET的通断，实现对整个高压开关的控制。这样一来，PI实际上是将蓝宝石衬底、GaN器件以及Cascode架构结合起来，共同构建面向高压应用的GaN技术路线。
 
这也是PI与传统快充GaN方案一个比较明显的区别：并没有简单地沿着消费电子GaN的路径提高功率，而是从衬底、器件架构到开关控制方式进行重新设计，希望将GaN的应用边界进一步推向高压场景。
 
事实上，在过去几代产品中，PI已经证实了他们这条路线的可行性。例如，其1700V规格PowiGaN芯片已应用于单级变换的数据中心辅助电源设计；1250V PowiGaN技术可优化800V直流数据中心主功率变换级的堆叠式设计方案，简化整机架构。
 

 
伴随着全新2200V PowiGaN技术的推出，PI能够支撑更高等级母线架构设计，在服务于数据中心应用之余，还能为新能源汽车、光伏逆变器及电池储能系统的中长期产品迭代提供技术适配性。
 
高压市场迎战SiC
 
Jason表示，过往，在2200V这个电压范围，目前行业常见的高压方案，主要包含低频碳化硅器件方案，以及多颗低压氮化镓器件堆叠串联方案，两类方案均会在系统集成度、结构复杂度或运行可靠性上存在一定取舍。
 
但随着PI的这款产品的亮相，包括光伏、高压直流输电、高端工业电能变换等应用领域在内的开发者有了极具竞争力的高频备选方案。通过用单颗功率器件替代双管串联，2200V PowiGaN从根本上简化了电路架构，大幅提升了系统的可靠性、功率密度与运行效率。
 
“在高压应用中推出氮化镓并非为了单纯做成本下探（Cost Down），而是为了提供 SiC 无法企及的性能改善与效率提升。”Jason说。
 

 
据介绍，相较于传统 SiC 器件，氮化镓拥有更小的输出电容与更低的栅极驱动电荷。这一优势使得开关工作频率能够从 SiC 的 250kHz 级大幅跨越至 500kHz 甚至 1MHz。在 LLC 等宽开关频率变化的谐振拓扑中，高频运行不仅能大幅缩小电感等磁性元件与电源体积，极大地提升电源系统的功率密度，更能在高频操作下实现优于 SiC 的转换效率与更低损耗。
 
在安全性与可靠性方面，PI的2200V PowiGaN也表现优越。虽然标称耐压 2200V，但实测击穿电压接近 4000V，拥有近 2kV 的超高裕量，即便遭遇瞬间过压也不会发生雪崩破坏。在 1760V/1.5A 高压高电流下的连续 20 小时开关测试中，其导通电阻保持平稳无漂移，展现出极其稳定的温升特性。结合自 2018 年以来超 2 亿颗的出货验证与小于 1 的 FIT 失效率，该器件展现出工业级的鲁棒性。
 
凭借上述领先优势，PI 2200V PowiGaN直接开拓了超过 800V/1500V 的 AI 数据中心、1500V 兆瓦级车载充电器、车规辅助电源、光伏储能及高压直流输电等全新高压应用市场，为下一代高能效电力系统注入强劲动能。
 

 
“这是一项面向未来（Future Proofing）的新技术”，Jason强调。