PI的PowiGaN技术的使用优势及应用

Power Integrations（PI）于2019年7月27日发布了结合PowiGaN技术的全新InnoSwitch™3系列恒压/恒流离线反激式开关电源IC，利用GaN（氮化镓）技术，让InnoSwitch的产品在整个负载范围内提供95%的高效率转换，并且在密闭适配器内不使用散热片的情况下可提供100 W的功率输出。

这款产品的发布日期专门选在了PI二季度财报当天，足见该技术对PI未来的重要性。PI总裁兼首席执行官Balu Balakrishnan表示：“在实现高效率和小尺寸方面，氮化镓是一项明显优于硅技术的关键技术。我们预计众多电源应用会从硅晶体管快速转换为氮化镓。自从我们在18个月之前推出硅技术新器件以来，InnoSwitch3已成为离线开关电源IC市场当之无愧的技术先行者，随着我们的反激式产品在效率和功率能力的提高，新的氮化镓IC进一步巩固了我们的优势地位。”

实测结果显示，带有PowiGaN技术的InnoSwitch3系列可以实现超过100W的输出功率，同时Rdson损耗达到了最低，效率也是前所未有的高。

为什么要使用氮化镓

Balu Balakrishnan表示，移动设备正在进入快速充电器的新阶段，受到多种融合趋势的催化。

首先是新的USB PD充电标准，它与新的Type-C连接器配合使用，可以为任何移动设备提供高达100瓦的功率。

其次，OEM的产品为了延长电池使用时间而做得容量越来越大，预计5G手机时代更加明显，这会消耗更多功率，但也会鼓励更多地使用耗电量大的功能，例如流媒体视频。

第三，随着手机市场陷入低增长或负增长，许多OEM已将充电速度视为差异化竞争力，快充成为了整个行业的趋势，将在未来几年内继续发挥作用。

“我们相信我们拥有业界最好的技术来应对快速充电趋势，我们认为随着功率水平的不断提高，公司的技术优势将会增加。效率在快充中至关重要，因为适配器的外形太小，同时缺乏主动散热功能，容易造成散热不好，而集成也很关键，因为高功率充电器通常具有更高的复杂度和更多的元件数。而PI的 InnoSwitch产品无论效率还是集成度，都是市场的领导者。 ”Balu说道。

Balu强调，“我相信我们是目前唯一一家大批量生产高压GaN基产品的公司，事实上，目前一些零配件市场已经采用了我们的GaN产品。”

Balu表示，PI在时机上处于有利位置，同时在技术方面也是如此，PI所专长的高可靠，无需光电耦合器的技术可以为客户提供诸多便利。“事实上，我们迄今为止所做的大部分工作是由客户推动的，他们来找我们要求为他们提供产品。”Balu说道。

Balu认为，GaN的关键点不在适配器，而是功率转换的本身，一般来说，30至40瓦应用的任何产品都有机会用到GaN技术，更高功率的产品更是只有GaN可以满足。

PI GaN系列产品初出茅庐便崭露头角

根据充电头网的拆解显示，包括Anker、Aukey、Ravpower等多家公司均已采用了PI的PowiGaN方案，而无一例外，所有配件厂都将GaN技术作为产品的主要卖点之一。正如Anker CEO阳萌在纽约发布会中所说：“传统充电器使用Si（硅）作为半导体材料，不仅体积占比高而且效率低下，在充电时由于散热问题会浪费了20%的潜在能量。安克创新在过去的12个月一直在研究GaN技术，就是为了让充电器降低能量损耗，同时充分减小其尺寸。”

比如充电头网曾经拆解的ANKER著名的PowerPort Atom PD 1氮化镓充电器，就是采用了PI的SC1933C，内置氮化镓技术，不过当初PI还没有对外公布PowiGaN这项技术，因此也误称为PI InnoGaN 系列，但无论如何这都是PI面向商用的首款GaN产品，并且近半年来也得到了市场的充分验证。

在SC1933C中并没有明确指出GaN产品。

但是在InnoSwitch3的Datasheet中已明确指出包括INN3379C及INN3370C采用了750V GaN 开关。

PowiGaN技术的优势

氮化镓凭借其禁带宽度大、击穿电压高、热导率大、电子饱和漂移速度高、抗辐射能力强和良好的化学稳定性等优越性质，确立了其在制备宽波谱、高功率、高效率的微电子、电力电子、光电子等器件方面的领先地位。

PI资深技术培训经理阎金光（JASON YAN）指出，具体在PI所专注的充电领域，氮化镓具有包括Rdson更小以及开关损耗降低。Rdson的降低，意味着导通电阻更小，也就是带来更小的导通损耗。而对于开关损耗来说，主要是从电压从高压到0时电流从0到最大，这其中的交叠区域会产生功耗，GaN由于可以具有更高的转换频率，因此开关损耗也更低。

如上图所示，对于导通损耗与开关损耗来说，GaN都比Si MOSFET要小，也因此实现了更小的尺寸和更低的功耗损失。

阎金光表示，正是因为GaN的效率足够高，因此可以节省散热片设计，从而实现小尺寸高效率的紧凑型适配器设计，通过更好地控制内部温升，以及GaN相对Si更强的抗高温特性，因此十分适合对体积、效率和寿命都有要求的场合。

具体来说，包括非原装USB PD适配器、高端手机充电器、笔记本适配器及其他队尺寸或效率有要求的诸如家电、电视机、服务器待机电源、电脑、游戏机等，此外还有一些希望采用InnoSwitch系列产品，但是又需要更高功率输出的场合都是PowiGaN产品应用的市场。

为什么GaN刚刚开始腾飞？

阎金光表示，十几年前业界就开始进行第三代宽禁带半导体的产业化研究工作，但无论是GaN还是SiC的良率都非常低，因此成本很高。同时GaN的应用还非常难，因为是高速器件，PCB Layout非常敏感，EMI设计很难，而PI通过集成化方式，将所有设计挑战都放到了芯片内部，增加了产品的可靠性，降低了设计难度，使得GaN技术的大批量市场化应用成为可能。

“从电源设计流程到器件的开关频率、工作波形、外部元件的选用以及EMI/ESD考量等，PowiGaN技术的InnoSwitch3和以前没有任何区别，更加易于被设计工程师所接受。”阎金光说道。

阎金光补充道，针对GaN的电源应用，我们并不崇尚更高开关频率的应用。虽说频率越高的话变压器体积可以做得越少，但是频率高意味着电磁干扰越强，为了满足EMI规格需要增加额外的滤波器等电路，反而会增加整个方案的体积，因此在InnoSwitch3中GaN的工作频率和过去的基于MOSFET的产品一样，这也是权衡的结果。

Balu也在投资者峰会时说过类似的话，PI的GaN技术与目前普遍讨论的GaN技术不同，PI是完全在内部开发的，并且是专门针对电源转换设计的应用。其次，GaN尚未商业化的原因主要是因为GaN在分立电路中非常难以驾驭，频率太快，很难对其控制或者保护，PI的解决方式是集成在系统级芯片中，解决了客户使用难题。“事实上，如果你把带有GaN的Inno 3放在其中，除了性能更好，它看起来就和其他Inno 3一样。“PI内部研究了所有的安全功能并以适当的方式驱动GaN，并且我们有着多年的研发经验，达到了批量出货阶段，并且得到了客户的积极反馈。”

阎金光特别强调，PI的PowiGaN技术采用的是单芯片方案，并且所有的工艺都是由PI自己开发的，完全专有的技术，不会被其他厂商所利用，同时在供应链方面PI也选择的是长期稳定的代工合作伙伴，保证产品的稳定性和可靠性。

PowiGaN应用到InnoSwitch3的各系列中

目前InnoSwitch3的全系产品 （CP/EP/Pro）都已成功导入GaN技术，并实现量产。

如图所示，其中CP是恒功率应用场合，EP适合敞开式应用，而PRO则带有数字接口，支持USB PD+PPS模式，可以使得适配器的输出更加精准，无需手机内部额外的DC-DC转换器，实现适配器输出的智能化数字化控制。

为了加速PowiGaN技术和InnoSwitch3系列产品的上市周期，PI开发了诸多参考设计，主要就是为了USB PD所开发。

“2018年我们的GaN产品就已经投入市场，目前来看安全性得到了充分验证，没有一颗料失效返厂，我们相信GaN代表着未来，尤其是等一线OEM们认识到GaN的安全性，高效性之后，一定会有更大的增长空间。”阎金光说道。

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