GaN: 突破功率密度和效率界限

设计功耗更低、尺寸更小、更快更炫酷的系统

什么是氮化镓 (GaN)?

氮化镓 (GaN) 是一款宽带隙半导体,与传统的硅金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET) 和绝缘栅双极晶体管 (IGBT) 相比,它可以实现更高的功率密度和效率。GaN 能够比纯硅解决方案更有效地进行电量处理,将功率转换器的功率损耗降低 80%,并更大限度地减少对添加冷却器件的需求。通过将更多的电量存储在更小的空间内,GaN 可以让您设计更小更轻的系统。

GaN 与 SiC

尽管 GaN 和碳化硅 (SiC) 的功率水平有相似之处,但 GaN 的基本特性使其更适合高功率密度至关重要的应用,例如服务器和电信电源、电动汽车 <22kW 的车载充电器 (OBC) 以及 <100W 的消费类电源适配器。

在这些应用中,GaN 器件可在功率因数校正 (PFC) 拓扑中实现 >150kHz 的开关频率,在直流/直流电源转换器中实现 >1MHz 的开关频率,从而显著缩小系统中磁性器件的尺寸。通过实现比 SiC 更高的开关速度,GaN 技术可帮助您以更低的成本实现更高的功率密度。

详细了解 GaN 和 SiC 的适用场景

TI GaN 技术优势

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开关速度比分立式 GaN FET 更快

我们具有集成驱动器的 GaN FET 可实现 150V/ns 的开关速度。这些开关速度与低电感封装相结合,可降低损耗、提供干净的开关功能并更大限度地减少振铃。

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磁性元件更小、功率密度更高

我们的 GaN 器件具有更快的开关速度,可帮助您实现超过 500kHz 的开关频率,从而将磁性元件尺寸缩减高达 60%、提升性能并降低系统成本。

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专为可靠性而构建

我们的 GaN 器件采用专有的硅基 GaN 工艺且已经过超过 4,000 万小时的可靠性测试,并结合了保护功能,旨在确保高压系统的安全。

了解特色应用

电信和服务器电源
采用 TI GaN 技术可达到 80 Plus® 钛金标准,实现 96.5% 的总能效以及超过 100W/in^3 的功率密度

采用 TI GaN 技术可达到 80 Plus® 钛金标准,实现 96.5% 的总能效以及超过 100W/in^3 的功率密度

使用我们的 GaN 器件设计支持存储、云应用、中央计算能力和更多功能的电信和服务器系统。我们的设计能够达到 80® Plus 钛金标准,并实现 99% 以上的功率因数校正 (PFC) 效率,可以帮助满足您对能效的设计要求。

优点

  • GaN 在图腾柱无桥 PFC 拓扑中可实现 >99% 的效率
  • 在隔离式直流/直流转换器中实现 >500kHz 的开关频率,从而缩小磁性元件尺寸
  • 集成的栅极驱动器可减少寄生损耗并使系统级设计更简单

特色资源

参考设计
  • PMP20873 – 效率高达 99% 且基于 GaN 的 1kW CCM 图腾柱功率因数校正 (PFC) 转换器参考设计
  • TIDA-010062 – 1kW、80 Plus Titanium、GaN CCM 图腾柱无桥 PFC 和半桥 LLC 参考设计
产品
  • LMG3422R030 – 具有集成驱动器、保护和温度报告功能的 600V 30mΩ GaN FET
  • LMG3422R050 – 具有集成驱动器、保护和温度报告功能的 600V 50mΩ GaN FET
  • LMG3411R150 – 具有集成驱动器和逐周期过流保护功能的 600V 150mΩ GaN
太阳能系统和储能系统
借助 TI GaN 技术,可在双向交流/直流功率转换系统中实现超过 1.2kW/L 的功率密度

借助 TI GaN 技术,可在双向交流/直流功率转换系统中实现超过 1.2kW/L 的功率密度

使用我们的 GaN 器件开发由太阳能和风能供电的系统,该器件能够帮助您设计更小、更高效的交流/直流逆变器和整流器以及直流/直流逆变器。借助支持 GaN 技术的双向直流/直流转换,将储能系统集成到光伏逆变器中来减少对电网能源的依赖。

优势

  • 比现有交流/直流和直流/直流转换器的功率密度高 3 倍 (>1.2kW/L) 且重量更轻。
  • 与 SiC FET 相比,GaN 的 140kHz 快速开关属性将功率密度提高了 20%
  • 由于采用较低成本的磁性元件,具有和 2 级 SiC 拓扑相同的系统成本

特色资源

参考设计
  • TIDA-010210 – 基于 GaN 的 11kW 双向三相 ANPC 参考设计
产品
  • LMG3422R030 – 具有集成驱动器、保护和温度报告功能的 600V 30mΩ GaN FET
  • LMG3522R030-Q1 – 具有集成驱动器、保护和温度报告功能的汽车类 650V 30mΩ GaN FET
  • LMG3422R050 – 具有集成驱动器、保护和温度报告功能的 600V 50mΩ GaN FET
电池测试
采用 TI GaN 技术,可在电池测试仪系统中实现更高的通道密度和更小的交流/直流转换器尺寸

采用 TI GaN 技术,可在电池测试仪系统中实现更高的通道密度和更小的交流/直流转换器尺寸

借助我们具有集成栅极驱动器的 GaN FET 缩小交流/直流电源的尺寸。我们 GaN 器件的开关频率高于 MOSFET 和 SiC FET,大幅提高了测试设备的测试仪通道密度并缩短了电源瞬态响应时间。

优点

  • GaN 在图腾柱无桥 PFC 拓扑中可实现 >99% 的效率
  • 在直流/直流级中具有 >200kHz 的开关频率,可在 1ms 内实现更快的充电到放电转换
  • 集成的栅极驱动器可减少寄生损耗,使系统级设计更简单

特色资源

终端设备/子系统
参考设计
  • TIDM-02008 – Bidirectional high density GaN CCM totem pole PFC using C2000™ MCU
  • PMP40690 – 采用 C2000™ MCU 和 GaN 的 4kW 交错式 CCM 图腾柱无桥 PFC 参考设计
产品
  • LMG3422R050 – 具有集成驱动器、保护和温度报告功能的 600V 50mΩ GaN FET
  • LMG3410R070 – 具有集成驱动器和保护功能的 600V 70mΩ GaN
汽车 OBC 和直流/直流转换器
采用 TI GaN 技术在电动汽车中实现高功率密度

采用 TI GaN 技术在电动汽车中实现高功率密度

混合动力汽车和电动汽车的新一代车载充电器 (OBC) 及直流/直流降压转换器将使用 GaN 功率器件,用于提高开关频率并缩小磁性元件尺寸。与基于硅和 SiC 的 OBC 相比,这种更高的开关频率和更小的尺寸可提高功率密度。

优点

  • 3.8kW/L 的功率密度表示在同一容量下的功率比 SiC 大
  • >500kHz 的 CLLLC 开关频率和 120kHz 的 PFC 开关频率
  • 96.5% 的组合系统级效率
  • 集成栅极驱动器简化了系统级设计

特色资源

产品
  • LMG3522R030-Q1 – 具有集成驱动器、保护和温度报告功能的汽车类 650V 30mΩ GaN FET
设计工具和仿真
  • POWERSTAGE-DESIGNER – 适用于最常用开关模式电源的 Power Stage Designer™ 工具
HVAC 和电器
借助 TI GaN 器件,在加热、通风和空调 (HVAC) 及电器的 PFC 功率级中实现更高的功效和更小的外形尺寸

借助 TI GaN 器件,在加热、通风和空调 (HVAC) 及电器的 PFC 功率级中实现更高的功效和更小的外形尺寸

加热、通风和空调 (HVAC) 系统需要功率因数校正 (PFC) 功率级来符合 EN6055 等新能源标准要求。与绝缘栅双极晶体管 (IGBT) 相比,GaN 功率级具有更高的效率,从而缩小磁性元件和散热器尺寸并降低总系统成本。

优点

  • 高达 60kHz 的高开关频率可减小磁性元件的尺寸
  • 开关损耗降低,可使功率级实现 >99% 的效率
  • 小尺寸和自然冷却能力可以缩小设计尺寸并降低成本

特色资源

参考设计
  • TIDA-010203 – 采用 C2000 和 GaN 的 4kW 单相图腾柱 PFC 参考设计
产品
  • LMG3422R030 – 具有集成驱动器、保护和温度报告功能的 600V 30mΩ GaN FET
  • LMG3422R050 – 具有集成驱动器、保护和温度报告功能的 600V 50mΩ GaN FET
GaN 的应用融合了 Delta Electronics 在高效电力电子装置领域的核心专业知识,以更大限度地提高功率密度,同时不会降低效率性能。归根结底,GaN 技术打开了通往新产品世界的大门,而这在此之前是不可能的。
– Kai Dong | Delta Electronics 研发经理

出色的 GaN 可靠性

在 TI,我们的目标是帮助世界各地的工程师验证其 GaN 器件的可靠性。因此,我们与电子器件工程联合委员会的主委员会 JC-70 宽带隙电力电子转换半导体委员会开展了合作,帮助制定可靠性和资格认证、数据表参数以及测试方法的行业标准,从而进一步推动 GaN 技术的采用。

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使用 GaN 器件进行设计

我们具有集成驱动器和保护功能的 GaN FET 产品系列可帮助您实现高功率密度和寿命可靠性,以及比同类竞争解决方案更低的系统成本。

完成您的 TI GaN 设计

无论您是要提高效率、可靠性还是降低电磁干扰,我们的配套器件产品系列都能更大限度地提高 GaN 系统的性能。

技术资源

应用手册
应用手册
Third quadrant operation of GaN
详细了解 GaN 的第三象限操作以及如何更大限度地减少死区时间损耗。
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白皮书
白皮书
用集成驱动器优化 GaN 性能
详细了解如何使用集成栅极驱动器优化 GaN 性能并更大限度降低寄生电感。
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资源
资源
GaN 相关参考设计
通过我们的参考设计选择工具来找到更适合您应用和参数的 GaN 设计。