DigiKey 提供的電源 GaN 產品和資源

GaN 相關的技術內容紛紛湧進我的收件夾以及我所追蹤的媒體串流中，而且越來越多。大部分內容都在討論 GaN 相較於傳統矽元件在能源效率及尺寸縮減上的優勢。從無線充電到電信基礎設施，GaN 正逐漸進入電源設計領域。所以，我認為提供一些背景資訊，並且簡要介紹 DigiKey 目前提供的相關 GaN 產品和資源，對大家會有所幫助。

GaN 是什麼？

氮化鎵 (GaN) 是一種寬能隙的半導體材料，可提供較高的電子遷移率。在電晶體的層次上，GaN 比起傳統的矽電晶體提供較高的電流、較快的切換速度，以及較小的實體尺寸。目前市面上也提供增強模式 GaN (e-GaN) 與疊接式空乏模式 GaN (疊接式 d-GaN) 開關架構。

(圖片來源：Texas Instruments)

e-GaN 開關是一種常關式 GaN 高電子遷移率電晶體 (HEMT)，其運作方式如同一般的 MOSFET，但在閘極驅動電路設計上需要更用心。建議使用特別針對切換式 e-GaN HEMT 設計的閘極驅動器。疊接式空乏模式 GaN 開關採用常開式空乏模式 GaN HEMT，並串聯疊接式結構的矽 MOSFET。矽 MOSFET 可控制疊接式開關中 GaN HEMT 的開與關動作，如此才能使用標準型 MOSFET 閘極驅動器。此外，市面上也提供已整合 GaN HEMT 以及相關 GaN 閘極驅動電路的元件。

(圖片來源：Infineon)

GaN 的應用

隨著市場中越來越多的供應商提供相關產品，GaN 在電源應用中也日趨常見。與矽相比，GaN 的優點包括切換頻率較高、損耗較低且實體尺寸較小。這意味著工程人員在設計空間受限且效率相當高的電源電路時，會有更多的選擇。最能受惠於 GaN 的是需要高效率或實體空間要求嚴格的應用。適用的市場包括伺服器、電信、配接器／充電器、無線充電以及 D 類音訊。

GaN 相關產品

DigiKey 提供 GaN FET、驅動器及整合式元件。相關製造商包括 EPC、Infineon、Navitas、Texas Instruments 和 Transphorm。

EPC

(圖片來源：EPC)

從 2009 年開始，EPC 即已提供商用增強模式 GaN (eGaN®) 電晶體，如今更提供多種 GaN FET 及整合式 GaN 元件。FET 是以單一電晶體與陣列的形式供應。單一電晶體的 Vdss 額定值可提供高達 200 V，持續 I_D 值則高達 90 A (TA = 25˚C)。電晶體陣列可提供雙共源、半橋和半橋 + 同步自舉等配置。如需推薦的閘極驅動器，請參考 EPC 的 How2AppNote 005 文件。EPC2152 是單晶片驅動器，加上 eGaN FET 半橋功率級，採用 EPC 自行研發的 GaN IC 技術。輸入邏輯介面、位準轉換、自舉充電和閘極驅動緩衝電路，以及配置為半橋的 eGaN 輸出 FET 均整合在單晶片中。這能達到晶片級 LGA 外型尺寸：3.9 mm x 2.6 mm x 0.63 mm。

EPC 的元件採用晶片尺寸封裝提供，而與同等的矽產品相比，GaN 電晶體的尺寸小了許多。這個組合採用較少的 PCB 空間且成本較低，因此能顯著減小元件尺寸。GaN 具有較小覆蓋區與較大效能兩項優點，可促成使用較大矽元件就無法達成的設計。目前 EPC 的 FET 和 IC 皆有適用的評估板和展示板。這些板件皆可取得快速入門指南、線路圖、物料清單與光繪檔。

Infineon

Infineon 提供採用矽 (Si)、碳化矽 (SiC) 及氮化鎵 (GaN) 技術的半導體型電源元件。在 GaN 技術方面，Infineon 已經開發出 600 V CoolGaN™ 增強模式 (常關式) GaN 功率電晶體，以及用於高電壓 GaN 開關的 EiceDRIVER™ 單通道隔離式閘極驅動器 IC。1EDF5673K、1EDF5673F 和 1EDS5663H EiceDRIVER™ 閘極驅動器 IC 與 CoolGaN™ 功率 FET 高度互補。GaN EiceDRIVER™ 系列的主要優點包括：閘極驅動正電流與負電流、在失相期間將閘極電壓穩定保持在零電壓，以及整合的電流隔離功能。

(圖片來源：Infineon)

EVAL2500WPFCGANATOBO1 是 2500 W 全橋圖騰柱功率因數校正評估板，採用 CoolGaN™ FET 和 EiceDRIVER™ GaN 驅動器 IC。EVALAUDAMP24TOBO1 e-mode GaN HEMT 架構評估板是雙通道、每通道 225 W (±43 V 時 4 Ω) 或每通道 250 W (±63 V 時 8 Ω) 的半橋 D 類音訊功率放大器，適用於高端 Hi-Fi 音訊系統。

Navitas

Navitas 提供 GaN 功率整合式電路。此類 IC 屬於單晶片 GaN 晶片，其中整合 GaN 功率 FET、閘極驅動器以及邏輯元件。在單一晶粒中置入完整電路，可在尺寸、切換速度、效率與整合便利性達到顯著優勢。NV6113、NV6115、NV6117、NV6123、NV6125、NV6127 都是單開關元件，可用於降壓、升壓、半橋與全橋等拓撲中。NVE031E 是一款使用 NV6115 的電源供應器展示板。

Texas Instruments

Texas Instruments 供應 GaN 驅動器及整合式 GaN 功率級元件。此類驅動器可讓設計人員彈性選擇 GaN 輸出 FET 以滿足特定要求。整合式功率級元件可將寄生電感值降至最低，以提升切換效能並減少電路板空間。

TI 的 GaN 驅動器包括 LMG1205、LMG1210、LMG1020、LMG1025、LM5113-Q1。LMG1205 半橋驅動器的設計可在同步降壓、升壓或半橋配置中驅動高側和低側增強模式 GaN FET。LMG1210 的功能與 LMG1205 相同，但可提供優異的切換效能、可由電阻設定的失效時間，以及適用於更寬廣 VDD 範圍的內部 LDO。LMG12xx 評估板包括 LMG1205HBEVM 和 LMG1210EVM-012。LMG1020 和 LMG1025 是單通道低側驅動器，此設計可在高速應用中驅動 GaN FET 和邏輯位準 MOSFET。這些元件的評估板為 LMG1020EVM-006 和 LMG1025-Q1EVM。LM5113-Q1 半橋驅動器符合 AEC-Q100 標準，此設計可在汽車應用的同步降壓、升壓或半橋配置中驅動高側和低側增強模式 GaN FET 或矽 MOSFET。其評估板為 LM5113LLPEVB。

(圖片來源：Texas Instruments)

TI 的整合式功率級元件包括 LMG3410、LMG3411、LM5200。LMG3410 和 LMG3411 整合 600 V GaN FET、驅動器和保護電路。LMG34xx 評估板包含 LMG3411EVM-029、LMG34XX-BB-EVM、LMG3411EVM-018、LMG3410EVM-018。LMG5200 在半橋配置中整合兩個 80 V GaN FET，由一個高頻 GaN FET 驅動器驅動。此產品的評估板包括 LMG5200EVM-02 和 BOOSTXL-3PHGANINV。

Transphorm

最後是由 Transphorm 供應的 GaN 電源開關，其採用疊接式配置的常關式低電壓矽 MOSFET，以及常開式高電壓 GaN HEMT。

(圖片來源：Transphorm)

Transphorm 的 GaN 元件，其作用如同具備低電荷本體二極體的超快速 FET。與傳統矽元件相比，其效能優勢在於恢復電荷低且恢復時間短。此開關提供極快速的上升，上升時間小於 10 ns。650 V 和 900 V 元件均有供應。此外，還提供多種評估板，包括 AC/DC 轉換器和 DC/AC 逆變器。

其他資源：

1 – DigiKey 的公版設計庫包括數個 GaN 架構的公版設計。