1932年，研究人員在George Herbert Jones實(shí)驗(yàn)室，將金屬鎵和氨在900℃至1000℃的高溫下進(jìn)行反應(yīng)，成功合成了GaN材料。近一個(gè)世紀(jì)的時(shí)間里，氮化鎵逐漸引領(lǐng)著功率變換領(lǐng)域的新一輪變革。

特別是Power Integrations公司近日推出的業(yè)界首款1700V氮化鎵開關(guān)IC——InnoMux?-2系列產(chǎn)品，不僅刷新了氮化鎵技術(shù)的耐壓紀(jì)錄，更是以其卓越的性能和廣泛的應(yīng)用前景，成為了電源管理領(lǐng)域的遙遙領(lǐng)先者。

氮化鎵逐漸成為王者

最佳開關(guān)電源技術(shù)覆蓋從十瓦至一兆瓦的廣泛功率范圍，不同技術(shù)對(duì)應(yīng)著不同的典型應(yīng)用場(chǎng)景，如手機(jī)、平板電腦、冰箱、壓縮機(jī)、車載充電機(jī)以及風(fēng)電和高壓直流輸電（HVDC）系統(tǒng)等。在生產(chǎn)生活中我們能夠感受到，在100瓦級(jí)應(yīng)用領(lǐng)域，氮化鎵技術(shù)已占據(jù)主導(dǎo)地位，特別是在多功能適配器市場(chǎng)中，氮化鎵適配器能夠同時(shí)為筆記本電腦和其他移動(dòng)設(shè)備充電，已廣泛替代傳統(tǒng)硅技術(shù)產(chǎn)品。展望10千瓦級(jí)應(yīng)用，氮化鎵技術(shù)正逐步取得優(yōu)勢(shì)，其目標(biāo)市場(chǎng)不僅限于傳統(tǒng)硅技術(shù)，還包括碳化硅技術(shù)。這一趨勢(shì)正在持續(xù)擴(kuò)展，氮化鎵的應(yīng)用范圍不斷拓寬。

在10千瓦級(jí)超高電壓的應(yīng)用中，PI公司的新設(shè)計(jì)已開始采用氮化鎵技術(shù)，而傳統(tǒng)市場(chǎng)則主要依賴MOS管、硅基或碳化硅技術(shù)。隨著氮化鎵技術(shù)的滲透，這些舊有方案正面臨挑戰(zhàn)。據(jù)介紹，當(dāng)功率達(dá)到100千瓦時(shí)，氮化鎵將主要替代IGBT或碳化硅技術(shù)，現(xiàn)有市場(chǎng)格局正遭受其侵蝕。而在低于十瓦的應(yīng)用中，氮化鎵雖未全面獲勝，但已局部取得優(yōu)勢(shì)。這主要是因?yàn)榈壠骷纳a(chǎn)良率在極小尺寸下難以控制，導(dǎo)致成本上升。然而，氮化鎵器件在高壓應(yīng)用中表現(xiàn)出色，特別是在反激電源中，其能耐受高達(dá)1700V的電壓，這在汽車充電和工業(yè)應(yīng)用中的雷電沖擊等動(dòng)態(tài)高壓場(chǎng)景下尤為重要。氮化鎵的這一優(yōu)勢(shì)使其在這些應(yīng)用中相比傳統(tǒng)硅器件具有更高的可靠性。

揭開InnoMux?-2的技術(shù)面紗

PI從2022年推出了900V PowiGaN產(chǎn)品到如今推出1700V的PowiGaN產(chǎn)品，短短2年時(shí)間里PI不斷突破氮化鎵產(chǎn)品的耐壓能力，致力于幫助客戶用氮化鎵開關(guān)來(lái)替代高能耗的傳統(tǒng)硅器件以及昂貴的碳化硅產(chǎn)品。InnoMux?-2以其前所未有的耐壓能力，為功率變換領(lǐng)域樹立了新的標(biāo)桿。

高效能與低功耗

在追求高效與節(jié)能的當(dāng)下，InnoMux?-2在1000VDC母線電壓下，能夠?qū)崿F(xiàn)高于90%的效率，并通過(guò)三路精確調(diào)整的輸出提供高達(dá)70W的功率。相比傳統(tǒng)硅器件，它不僅可以顯著降低開關(guān)損耗，還能減少系統(tǒng)元件數(shù)量，簡(jiǎn)化電路結(jié)構(gòu)，從而進(jìn)一步提升整體效率。據(jù)PI技術(shù)培訓(xùn)經(jīng)理JasonYan介紹，這一性能的提升，得益于氮化鎵材料本身的低損耗特性和采用PI獨(dú)特的單個(gè)初級(jí)開關(guān)控制架構(gòu)。

高精度的多路輸出

對(duì)于多路輸出電源而言，輸出電壓的穩(wěn)定性和精度至關(guān)重要。InnoMux?-2采用了單級(jí)架構(gòu)，無(wú)需后級(jí)穩(wěn)壓器，即可實(shí)現(xiàn)每路輸出調(diào)整精度控制在1%以內(nèi)的卓越性能。這一特點(diǎn)使得它在汽車充電器、太陽(yáng)能逆變器、三相電表和各種工業(yè)電源系統(tǒng)等應(yīng)用中，能夠更準(zhǔn)確地滿足各類負(fù)載的需求，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

獨(dú)特的ZVS技術(shù)

此外，開關(guān)損耗是電路設(shè)計(jì)中難以避免的情況，因此InnoMux?-2集成了零電壓開關(guān)（ZVS）技術(shù)。據(jù)介紹，零電壓開關(guān)技術(shù)，是指在開關(guān)動(dòng)作之前，先通過(guò)特定電路使電路兩端的電壓降至零。一旦檢測(cè)到電壓已降為零，隨即發(fā)出指令，促使開關(guān)進(jìn)行閉合操作。這一創(chuàng)新技術(shù)可以顯著降低開關(guān)過(guò)程中的開通損耗，進(jìn)一步提高系統(tǒng)效率。同時(shí)，InnoMux-2使用的次級(jí)側(cè)實(shí)現(xiàn)的ZVS技術(shù)還使得電路更加簡(jiǎn)化，降低了元件數(shù)量和成本，提升了系統(tǒng)的整體性能。

靈活的封裝模式

InnoMux?-2系列產(chǎn)品有兩種封裝模式——C封裝和F封裝，兩種封裝的選擇取決于應(yīng)用電壓輸入范圍。從外觀上可以看出最大區(qū)別是爬電距離的寬窄，C封裝更適用于375V母線電壓輸入范圍的場(chǎng)景，F(xiàn)封裝應(yīng)對(duì)更高的母線電壓的使用需求。據(jù)介紹，目前面對(duì)所有的消費(fèi)類的電子都是這種C封裝足夠使用。但如果面對(duì)類似于家電這種使用環(huán)境，內(nèi)部可能會(huì)有濕氣潮氣以及灰塵進(jìn)入的情況，再加上更高的母線電壓，F(xiàn)封裝可以避免臟污環(huán)境導(dǎo)致的高壓與低壓引腳之間出現(xiàn)的拉弧放電現(xiàn)象，從而增強(qiáng)電源的可靠性。

技術(shù)背后的創(chuàng)新與突破

InnoMux?-2的成功推出，背后凝聚著PI公司多年來(lái)的技術(shù)積累和不斷創(chuàng)新的精神。從2018年開始，PI公司便開始在氮化鎵技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)行深入研究，并相繼推出了900V、1250V等系列產(chǎn)品。每一次產(chǎn)品的推出，都是對(duì)技術(shù)的一次突破和升級(jí)。而1700V氮化鎵開關(guān)IC的推出，更是將氮化鎵技術(shù)的應(yīng)用推向了一個(gè)新的高度。

在技術(shù)創(chuàng)新方面，PI公司不僅注重材料的選擇和制造工藝的優(yōu)化，還致力于控制技術(shù)的創(chuàng)新和升級(jí)。通過(guò)引入FluxLink?次級(jí)側(cè)控制（SSR）數(shù)字隔離通信技術(shù)、零電壓開關(guān)（ZVS）技術(shù)等創(chuàng)新技術(shù)，InnoMux?-2在提高效率、降低成本、增強(qiáng)穩(wěn)定性、可靠性等方面取得了顯著成效。

1700V氮化鎵電源開關(guān)IC的面世，不僅標(biāo)志著氮化鎵技術(shù)在功率變換領(lǐng)域取得了新的突破和成就，也為我們開啟了一個(gè)高效、節(jié)能、環(huán)保的電源管理新時(shí)代。