PowiGaN突破2200V：Power Integrations推出首款2.2kV横向GaN开关

8月5日，Power Integrations宣布推出其PowiGaN产品组合中业界首款2.2kV横向GaN开关。该器件采用GaN-on-sapphire衬底和耗尽型共源共栅配置（搭配低压硅MOSFET），封装于InSOP-28D封装中。其在1760V下连续漏极电流为1.5A，关态击穿电压超过4kV，开关频率能力高达1MHz。

图1：Power Integrations的2200V PowiGaN共源共栅开关，开盖后显示InSOP-28D封装。

Power Electronics News采访了Power Integrations产品开发副总裁Roland Saint-Pierre。Saint-Pierre表示：“这不是产品发布，而是一项技术演示。我们想表明的是，我们现在对2200V PowiGaN技术有信心，并正在以此为基础开发解决方案。”Power Integrations于2018年推出首款750V PowiGaN产品，随后陆续推出900V、1250V、1700V，直至现在的2200V。

PowiGaN已应用于公司的多个产品系列，包括TOPSwitchGaN、InnoSwitch准谐振反激式开关IC、HiperPFS-5功率因数校正IC，以及InnoMux-2系列单级多输出IC。

技术提升

据Saint-Pierre介绍，电压的逐步提升归功于蓝宝石衬底的使用、外延层的改进以及场板架构的优化。当被问及最大导通电阻和栅极电荷等其他相关参数时，Saint-Pierre未透露具体数值，表示该技术具有可扩展性：对于给定的芯片面积，导通电阻随击穿电压升高而增加，但这可通过增大芯片尺寸来抵消。Saint-Pierre指出，从750V到2200V，PowiGaN产品组合的基础工艺——包括基底材料和结构（外延结构、场板架构等）——保持不变，使其成为“一项极具可扩展性的技术”。

Saint-Pierre还表示：“目前其他可用的技术只有IGBT——它工作频率极低，以及碳化硅——其最高开关频率也有限。”他表示，在更高电压下使用横向GaN HEMT的动机，是在LLC和零电压开关拓扑中实现更高开关频率并缩小磁性元件尺寸。“它可以实现更高的功率密度，而GaN HEMT与低压硅MOSFET的配对——后者处理高频而不承受电压应力，且栅极驱动电压具有良好的兼容范围——使你能够构建在极高电压下工作的半桥，而无需使用较低电压开关技术堆叠多电平转换器。”

低电流、高电压应用

“需要指出的是，我们的2200V GaN并不会取代用于数百千瓦或兆瓦级的大功率碳化硅模块……尽管这款GaN具有相同的电压等级，但它并非替代品，”Saint-Pierre表示。他指出，SiC模块在相同电压范围内具有更低的比导通电阻，并在那些功率等级下具有更高的载流能力——达到数百安培。Saint-Pierre承认，这也是垂直GaN适合的领域。2024年7月，Power Integrations完成了对垂直GaN公司Odyssey Semiconductor的收购。

据PI介绍，应用范围涵盖：

• AI数据中心
• 汽车领域，如1200V系统的辅助电源、1500V下1MW充电器
• 公用事业级光伏和电池储能系统
• 高压直流输电的辅助电源

“对于反激式转换器，1700V是800V母线的理想击穿电压，因为需要考虑来自次级的反射电压、漏感尖峰以及可靠性所需的降额，”Saint-Pierre表示。他指出，1700V PowiGaN器件非常适合汽车和数据中心应用中正成为标准的800V母线。PI已在汽车领域与客户展开合作。

对于数据中心转换器，Saint-Pierre继续说道：“1700V非常适合辅助电源，而1250V可应对采用LLC或半桥拓扑的主电源。”他认为，在半桥中使用两个1250V器件，简化了堆叠四个传统650V增强型GaN-on-Si器件的复杂性。Power Integrations已在使用其1700V PowiGaN器件与OEM合作开展数据中心辅助PSU参考设计。

这些辅助PSU本质上是与主电源并行的“管家”电源，为栅极驱动器、控制器及板卡上的其他数字或模拟电路提供稳压电源。“所有这些小型IC大多在12V下工作，有些在5V下；栅极驱动本身需要管理在6V左右以达到GaN的最优工作状态。因此你需要一个从800V取电、能在尽可能小的空间内高效转换的器件，”Saint-Pierre表示。

至于新的2200V器件，Saint-Pierre解释说，这些将为更高电压的数据中心母线提供良好的替代方案。OCP电力分配子项目旨在向低压直流过渡，即≤1500VDC的数据中心配电。Power Integrations还指出，1MW快充充电器已在1500V下工作。“这是GaN的另一个机会——在目前仅有碳化硅的领域中，为栅极驱动器、控制器和管家电源，以及这些充电器的冷却系统设计小型偏置电源——所有这些都在较低电压下工作。2200V GaN器件将实现更小、更紧凑的辅助电源，”Saint-Pierre表示。

Saint-Pierre还讨论了高压直流输电装置，指出欧洲和中国已有多个项目正在进行，2200V GaN器件也非常适合高压直流输电线路的辅助电源。

2025年10月，Power Integrations发布了一份白皮书，论证PowiGaN可在800VDC至48V、12V甚至6V的主高功率DC/DC转换级中运行。该白皮书阐述了在单一半桥LLC中使用1250V PowiGaN相较于使用四个650V增强型GaN器件的堆叠半桥LLC的优势。“这些参考设计目前正在开发中，既然我们已经公开讨论过，是的，我们希望很快推出这些产品，”Saint-Pierre表示。

初步测试

该2200V PowiGaN器件已应用于Power Integrations的一款40W偏置电源中，如图2所示。波形显示转换器在反激模式下运行，工作电压为其击穿电压的80%（1760V），连续电流1.5A。初步测试显示，导通电阻在约21小时内保持稳定。Saint-Pierre指出，低动态导通电阻是GaN器件可靠性和稳定性的重要指标。

图2：2200V器件应用于40W反激电源，在1760V/1.5A下连续运行，导通电阻测量时间约21小时。

Saint-Pierre还分享了一组2200V器件在关断状态下漏极-源极电压增加时漏电流的测试数据（图3）。图像显示，漏电流在电压超过4000V时开始上升——比器件2200V额定值高出2000V以上的裕量。“如此高的电压裕量确保了高可靠性和极低的失效率，”Saint-Pierre表示。Power Integrations称，PowiGaN开关已累计运行超过一万亿小时，失效率极低，FIT率小于1。

图3：漏电流与漏源电压关系曲线，显示击穿前超过2000V的裕量。

“我们已经完成了一些内部可靠性和质量认证基准测试，这就是为什么我们有信心并乐于讨论这项技术。我们正在以此为基础开发产品，这也是我们今天披露它的原因，”Saint-Pierre表示。

信息来源： powerelectronicsnews

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