主打汽车、家电及工业类应用的900V氮化镓反激式开关IC
目前，汽车、工业和家电应用市场驱动力主要是功率需求不断加大，功耗也相应增加，而电动汽车会逐步去掉12V蓄电池，在800V母线电压应用后，也需要有相应的功率器件。这些趋势要求在负载范围内提供更高的效率和更高的待机输出功率，同时简化散热，减小系统尺寸，还要满足供电电压升高的要求。
作者：Bodo’s功率系统杂志编辑部
在美国APEC展（国际电力电子应用展）上Power Integrations（PI）发布了一款重要新品——900V氮化镓（GaN）PowiGaN InnoSwitch IC，以满足汽车、家电及工业类应用的上述需求。我们来看看PI的新产品是如何做的。
从优化初级功率开关入手
宽禁带半导体在优化初级功率开关方面有得天独厚的优势。之前初级侧功率开关一般都会根据输入电压选择不同材料的器件。PI提供650V、725V和900V的硅开关，以针对不同耐压范围。此前发布的氮化镓器件是750V，可以用于功率较大的应用。更高耐压有1700V耐压的碳化硅（SiC）。当然，在应用中一般还要考虑10%的降额。如果考虑到雷击、噪声的影响则需要增加到20%的降额，这些给功率器件预留的裕量，为的是满足不同的使用工况要求。
在工业类或汽车应用中，如果使用EPS（应急电源），碳化硅可以达到1700V耐压。为了满足汽车应用的AEC-Q100车规认证要求，PI的900V硅器件、750V氮化镓器件和1700V SiC器件都通过了车规认证。而在工业应用方面则对器件没有这些相应的的要求，则可以选择高耐压的非车规产品。
这次PI推出的PowiGaN IC可提供高达100W的输出功率，效率超过93%，因而无需散热片，并可简化空间受限型应用的电源设计。其耐压从原来的750V增加到900V，增加了耐压裕量。氮化镓器件与硅器件相比效率更高，PowiGaN的功率更大，因而在封装不变的情况下，可以输出更高的功率。换句话说，该产品扩展了电压范围的同时也扩展了产品的应用范围。
宽禁带器件的开关和导通损耗更低，具有温升更低的优势。测试表明，与725V硅开关相比，1700V碳化硅温升从100℃可降低至89℃；900V氮化镓开关的温升则会降到78℃。虽然效率提升只有1.5%，但温升改善多达20℃，因此特别适用于环境温度比较高的汽车应用。
另外，采用900V氮化镓的效率改善了1.5%，也同时意味着功率损耗同时减少了20%，热量更少，有助于缩小电源体积和PCB空间或者实现更高功率密度的设计。
简化电动汽车功率架构
除了在工业类应用中使用，PI的InnoSwitch-3-AQ也可以用于汽车应用。虽然电动汽车的功率架构与燃油汽车不同，但都会使用12V蓄电池。在电动汽车中有400或800V高压动力电池，蓄电池只作为AC充电口的集成充电控制单元为12V的低压负载供电。
汽车系统中的EPS可以在故障情况下提供应急供电。其中的InnoSwitch-3-AQ可提供60W的输出功率，可满足目前大部分汽车功率架构的辅助供电使用需求。汽车等低压设备中的12V负载包括转向助力、辅助驾驶、风扇、娱乐系统、照明、车窗、安全及通信系统。如果需要保证人能碰到的地方绝对的安全，则需要隔离式电源。而InnoSwitch-3-AQ则可以满足这类隔离电源的使用需求。其磁感耦合方式的次级稳压方式可达到更精确的稳压输出，进而可以节省传统初级稳压方式方案中惯常采用的后级DC-DC变换。
从电动车的功率架构趋势来看，车企希望未来将12V电池去掉或将12V电池体积缩小，以减少整车重量，在节省空间的同时不但降低了成本，还可以延长续航里程，降低维护和更换需求。这样就大大增加了从高压变换至低压的辅助供电电源的需求。同
如果使用集成900V氮化镓开关的InnoSwitch-3-AQ，在替代或缩小12V电池的情况下，辅助供电电源的功率可达到100W。采用多个辅助供电单元(APU)并联供电后，就可以去掉原来的12V蓄电池。另外，对于转向助力这类高峰值功率需求的应用场景，如果不用12V供电，而用高压供电，则可以将大部分低压负载的功率转移到高压负载，同样也利于缩小或去掉原来的12V蓄电池。
据介绍，用PI的高效氮化镓方案做的100W汽车用EPS电源元件数很少，只有80个左右，高度也很薄，在输出13.6V/6.5A条件下，其50%以上负载的效率大于93%。由于元件数很少，可以节省工程师在验证系统安全性时花的大量时间，提高系统的可靠性。
值得一提的是，新产品仍然采用PI的FluxLink™ 技术满足加强绝缘要求，使次级恒压方案稳压精度非常高，可以省掉逆变器低侧驱动供电所需的后级DC-DC。
功率变换的未来趋势
现在，PI开始在产品中增加氮化镓的使用。这次900V耐压氮化镓器件的推出既增加了输出功率，同时也改善了设计裕量，可以使主流的400V母线汽车系统更安全。另外，900V的PowiGaN开关还可以轻松应对汽车环境中经常出现的高电感噪声尖峰，满足电动汽车制造商日益增长的功率需求。900V耐压氮化镓器件也适用于输入电压范围非常宽泛的三相供电服务器类辅助电源，包括输入电压更高的路灯照明等工业类供电应用。
氮化镓技术能够以更低的成本实现相对较高的效率。其高度的灵活性体现在用户可以根据不同的功率变换应用选取不同材料的功率开关产品。比如在电流比较小的情况下，氮化镓的低导通损耗的优势并不明显，这时可以使用硅开关或者碳化硅的器件。而1700V耐压的碳化硅器件，更加适应于800V汽车母线和三相工业供电的应用。
随着功率的增加，对于用户而言，采用氮化镓开关没有什么设计方面的可以担心的事情，氮化镓温升更低，功率更大，效率更高，非常容易切换。总之，要根据具体应用选择使用硅开关、氮化镓开关和碳化硅开关。