在工程實(shí)踐中，氮化鎵（GaN）器件的高開關(guān)頻率和低導(dǎo)通電阻特性，為電源設(shè)計(jì)帶來了顯著的效率提升和功率密度優(yōu)勢(shì)，使得我們?cè)陔娫丛O(shè)計(jì)方面有了更大的選擇空間。但實(shí)際應(yīng)用的要求也越來越嚴(yán)苛，以電動(dòng)汽車電源系統(tǒng)為例，車載充電系統(tǒng)和充電樁的設(shè)計(jì)面臨前所未有的挑戰(zhàn)。以800V平臺(tái)為代表的高壓系統(tǒng)正在成為主流，為了提升充電效率，整車和配套設(shè)施往往需要支持1000V以上的直流母線輸入，同時(shí)輸出多路低壓控制電壓。這要求電源不僅具備極高的耐壓能力，還要在緊湊空間內(nèi)完成多路高精度輸出，并滿足嚴(yán)苛的車規(guī)級(jí)要求。

傳統(tǒng)設(shè)計(jì)通常依賴碳化硅器件或多級(jí)DC-DC轉(zhuǎn)換架構(gòu)來實(shí)現(xiàn)高壓耐受與輸出精度，但這類方案不僅電路復(fù)雜、體積大、成本高，還在效率和散熱方面存在明顯短板。尤其是在1000V以上的直流母線場(chǎng)景下，現(xiàn)有方案往往需要多個(gè)高壓器件串聯(lián)才能勉強(qiáng)滿足設(shè)計(jì)要求，同時(shí)引入更多的驅(qū)動(dòng)、隔離和保護(hù)電路，導(dǎo)致系統(tǒng)可靠性下降，設(shè)計(jì)周期拉長(zhǎng)。這種“堆料式”的電源方案在現(xiàn)代應(yīng)用中正面臨越來越多的限制。

那么，是否存在更優(yōu)的方案解決上述問題呢？

1

招招瞄準(zhǔn)行業(yè)痛點(diǎn)

InnoMux2-EP，基于PI自主開發(fā)的PowiGaN技術(shù)，是目前唯一具備1700V耐壓能力的氮化鎵集成開關(guān)芯片，將氮化鎵從以往擅長(zhǎng)的中低壓市場(chǎng)擴(kuò)展到了更具挑戰(zhàn)的高壓工業(yè)和新能源應(yīng)用場(chǎng)景。接下來，我們結(jié)合實(shí)際工作應(yīng)用痛點(diǎn)，來看看InnoMux2-EP是如何進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新的。

痛點(diǎn)一：動(dòng)輒高達(dá)1000V的直流母線電壓應(yīng)用

在1000V以上直流母線的高壓應(yīng)用場(chǎng)景中（如光伏逆變器、工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)、儲(chǔ)能PCS、電動(dòng)汽車充電樁等），現(xiàn)有方案依賴多器件串聯(lián)架構(gòu)，面臨著均壓?jiǎn)栴}、驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜度指數(shù)升級(jí)、保護(hù)電路可靠性下降、開關(guān)損耗占比陡增、EMI治理難度大、熱管理復(fù)雜度高、測(cè)試驗(yàn)證成本劇增等諸多壓力。

相較于碳化硅材料復(fù)雜的制造工藝和居高不下的成本，PI PowiGaN技術(shù)通過一種創(chuàng)新的級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)，將氮化鎵晶體與MOSFET器件高效結(jié)合，成功實(shí)現(xiàn)了增強(qiáng)型常關(guān)結(jié)構(gòu)，徹底解決了氮化鎵天然常通的問題。同時(shí)，這種結(jié)構(gòu)不僅保障了器件在高壓環(huán)境下的安全性和可靠性，更在制造成本上有明顯優(yōu)勢(shì)。

如下表所示，InnoMux2-EP將內(nèi)部集成的氮化鎵開關(guān)耐壓擴(kuò)展到1700V。

InnoMux2-EP采用的1700V PowiGaN技術(shù)，可輕松應(yīng)對(duì)高達(dá)1000V的直流母線電壓，甚至能夠穩(wěn)定抵抗電網(wǎng)波動(dòng)和瞬態(tài)尖峰電壓的沖擊。根據(jù)實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)，這款芯片在1360V工作條件下仍保留了約80%的裕量降額空間，這意味著在實(shí)際應(yīng)用中，設(shè)備的可靠性得到了明顯增強(qiáng)，有效降低了工程師對(duì)傳統(tǒng)碳化硅器件的依賴。如下圖所示，InnoMux2-EP在1000V以上輸入電壓時(shí)，具有顯著的優(yōu)勢(shì)。

值得一提的是，實(shí)際測(cè)試顯示，InnoMux2-EP芯片的極限耐壓值甚至達(dá)到了2100V，這充分展現(xiàn)了該技術(shù)在高壓電源應(yīng)用中的潛力。對(duì)于工程師而言，這意味著在應(yīng)對(duì)電網(wǎng)波動(dòng)、突發(fā)尖峰電壓等復(fù)雜工況時(shí)，有了更多的安全冗余空間和設(shè)計(jì)靈活性。因此，無論是從性能可靠性、經(jīng)濟(jì)效益，還是未來應(yīng)用拓展的角度來看，1700V PowiGaN都代表著氮化鎵技術(shù)在高壓電源領(lǐng)域的重大突破，不失為一種新的選擇。

痛點(diǎn)二：“兩級(jí)架構(gòu)”所帶來的效率損耗、成本增加

傳統(tǒng)的多路輸出電源方案通常采用“兩級(jí)架構(gòu)”，也就是先通過前級(jí)AC-DC或高壓DC-DC實(shí)現(xiàn)初步降壓，再經(jīng)多個(gè)獨(dú)立的DC-DC穩(wěn)壓模塊分別提供不同電壓等級(jí)的輸出。這種方案雖然能保證每路輸出的精度，但對(duì)工程師而言，這種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、元件數(shù)量多，效率損耗明顯，整體成本也相對(duì)較高。此外，器件數(shù)量的增加也給電源設(shè)計(jì)的可靠性和系統(tǒng)能效帶來了挑戰(zhàn)。

如下圖所示，InnoMux2-EP采用了單級(jí)反激式多路輸出架構(gòu)，配合次級(jí)側(cè)數(shù)字控制技術(shù)，可以在單一的變換級(jí)內(nèi)精準(zhǔn)控制最多三路獨(dú)立輸出。具體而言，InnoMux2-EP通過次級(jí)側(cè)控制IC實(shí)現(xiàn)對(duì)每一路輸出電壓的獨(dú)立監(jiān)測(cè)和調(diào)節(jié)，電壓精度可控制在±1%以內(nèi)，尤其適合5V與24V等不同電壓等級(jí)同時(shí)輸出的精密電壓需求場(chǎng)景。這種設(shè)計(jì)省去了傳統(tǒng)后級(jí)額外的DC-DC穩(wěn)壓電路，減少了元器件數(shù)量，提升了整體能效，降低了設(shè)計(jì)成本，同時(shí)大幅減小了PCB布局空間。

此外，由于減少了轉(zhuǎn)換級(jí)數(shù)，系統(tǒng)整體的熱損耗明顯降低。這使得電源即使在沒有散熱片或復(fù)雜散熱裝置的情況下，也能保持高效且可靠地運(yùn)行，尤其適合在工業(yè)環(huán)境或空間受限的應(yīng)用場(chǎng)景使用。

痛點(diǎn)三：功率開關(guān)損耗高

在高壓、高頻電源設(shè)計(jì)中，功率開關(guān)的損耗一直是影響整體效率的關(guān)鍵因素之一。特別是工業(yè)電源應(yīng)用，由于輸入電壓通常較高，開關(guān)器件的損耗更加明顯。傳統(tǒng)的解決方案往往需要增加有源鉗位或其他復(fù)雜電路來實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)，但這種方式無形中增加了成本與電路復(fù)雜度，也給系統(tǒng)可靠性帶來了額外的挑戰(zhàn)。

針對(duì)這一問題，InnoMux2-EP直接在芯片內(nèi)部集成了零電壓開關(guān)（ZVS）技術(shù)。具體而言，InnoMux2-EP利用其自主研發(fā)的同步整流零電壓開關(guān)技術(shù)，通過在初級(jí)開關(guān)管導(dǎo)通之前，讓次級(jí)側(cè)的同步整流MOSFET短暫導(dǎo)通，從而在變壓器次級(jí)繞組中建立一個(gè)反向電流。這個(gè)反向電流再通過變壓器耦合回初級(jí)側(cè)，幫助初級(jí)側(cè)的功率開關(guān)實(shí)現(xiàn)零電壓開啟。這種設(shè)計(jì)有效地從源頭降低了開關(guān)損耗，尤其在高壓輸入和高頻開關(guān)條件下，其效果更為顯著。這種集成的零電壓開關(guān)技術(shù)不僅簡(jiǎn)化了電路結(jié)構(gòu)，減少了元器件數(shù)量和成本，同時(shí)也提升了電源整體可靠性和使用壽命。

痛點(diǎn)四：反饋控制精度不足、響應(yīng)速度慢

傳統(tǒng)的隔離式電源設(shè)計(jì)一般使用光耦或輔助繞組進(jìn)行反饋控制，但這些方法存在精度不足、響應(yīng)速度較慢以及長(zhǎng)期使用性能易衰減等缺點(diǎn)，尤其是在多路輸出應(yīng)用場(chǎng)景中，難以精確獨(dú)立地控制每一路輸出電壓。

為了解決這些問題，PI FluxLink磁感耦合隔離技術(shù)，通過磁感耦合的方式將次級(jí)側(cè)的控制信號(hào)安全可靠地傳遞給初級(jí)控制器，不需要使用光耦或額外的反饋隔離電路。與傳統(tǒng)方案相比，F(xiàn)luxLink在長(zhǎng)期穩(wěn)定性、溫度穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度方面都有明顯優(yōu)勢(shì)。

具體到InnoMux2-EP系列產(chǎn)品，F(xiàn)luxLink不僅實(shí)現(xiàn)了基礎(chǔ)的反饋和隔離功能，更進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了對(duì)多路輸出之間的精準(zhǔn)協(xié)調(diào)控制。次級(jí)側(cè)控制器通過FluxLink快速準(zhǔn)確地向初級(jí)側(cè)反饋功率需求信號(hào)，從而確保每一路輸出電壓都能精準(zhǔn)地進(jìn)行獨(dú)立調(diào)節(jié)。實(shí)際測(cè)試顯示，每路輸出電壓的控制精度能達(dá)到±1%以內(nèi)，這一指標(biāo)在目前的多路輸出電源設(shè)計(jì)中處于領(lǐng)先水平，特別適用于工業(yè)儀器、通信設(shè)備、家電控制等高精度應(yīng)用領(lǐng)域。

此外，得益于FluxLink技術(shù)，InnoMux2-EP的安全隔離性能也得到了顯著提升，并順利通過了嚴(yán)苛的4000VAC絕緣強(qiáng)度認(rèn)證，滿足UL1577和TUV（EN62368）等國(guó)際安全標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于工程師而言，這不僅提升了設(shè)計(jì)的安全裕量，更大幅簡(jiǎn)化了整體的電源方案設(shè)計(jì)過程。

如下圖所示，InnoMux2-EP具有出色的穩(wěn)壓精度。

2

PI InnoMux2-EP性能表現(xiàn)

90%以上整體能效

電源的效率一直都是工程師在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)最為關(guān)注的指標(biāo)之一。InnoMux2-EP系列通過結(jié)合先進(jìn)的1700V PowiGaN技術(shù)與創(chuàng)新的零電壓開關(guān)（ZVS）設(shè)計(jì)，成功實(shí)現(xiàn)了在最高1000VDC電壓輸入條件下穩(wěn)定達(dá)到90%以上的整體能效。如下圖所示，在200-1000VDC的輸入電壓范圍內(nèi)，InnoMux2-EP的滿載效率都穩(wěn)定地超過了90%。

低待機(jī)/空載功耗：應(yīng)對(duì)嚴(yán)苛節(jié)能法規(guī)

InnoMux2-EP芯片內(nèi)部集成了EcoSmart高效節(jié)能技術(shù)和精確的功率管理機(jī)制，即使在極低負(fù)載甚至空載情況下，也能保持極佳的能效表現(xiàn)。如下圖所示，InnoMux2-EP在輸入功率僅為300mW的極輕載條件下，其輸出功率仍能達(dá)到203mW；而在1000VDC輸入電壓下，空載功耗甚至低至60mW以下。

可靠性更進(jìn)一步

InnoMux2-EP依靠創(chuàng)新的1700V PowiGaN技術(shù)，單芯片即可承受高達(dá)1700V的電壓。這樣不僅大幅減少了元器件數(shù)量，也從根本上消除了因多個(gè)元器件串聯(lián)導(dǎo)致的不一致性風(fēng)險(xiǎn)。此外，該芯片還內(nèi)置了全面的保護(hù)機(jī)制，包括輸入過壓保護(hù)（OVP）、輸入欠壓保護(hù)（UVP）、過溫保護(hù)（OTP），以及每一路輸出都具備獨(dú)立的過載保護(hù)功能。這些保護(hù)功能通過芯片內(nèi)部的初級(jí)和次級(jí)控制器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并作出快速反應(yīng)，進(jìn)一步提高了電源系統(tǒng)在復(fù)雜環(huán)境下的穩(wěn)定性與安全性。

性價(jià)比之選：可替代碳化硅方案

長(zhǎng)期以來，碳化硅材料因成本較高、制備工藝復(fù)雜，造成產(chǎn)品整體成本難以下降，制約了其在產(chǎn)業(yè)中進(jìn)一步普及應(yīng)用的步伐。InnoMux2-EP系列產(chǎn)品通過引入氮化鎵技術(shù)，提供了一種高性價(jià)比的替代方案。氮化鎵在材料、生產(chǎn)工藝和封裝成本方面均具備明顯優(yōu)勢(shì)。PI自主研發(fā)的PowiGaN工藝技術(shù)，成功地使1700V氮化鎵器件的成本更接近傳統(tǒng)硅MOSFET的水平，同時(shí)性能和可靠性均明顯優(yōu)于碳化硅。

小型化：提升功率密度

InnoMux2-EP采用的單級(jí)反激多路輸出架構(gòu)，省去了額外的DC-DC穩(wěn)壓模塊，大幅減少了元器件的使用數(shù)量與電路布局面積。更高的集成度帶來了更緊湊的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，使設(shè)備功率密度顯著提升，滿足當(dāng)前工業(yè)設(shè)備、電動(dòng)車充電系統(tǒng)、太陽能逆變器等對(duì)空間和布局要求嚴(yán)格的場(chǎng)景。如下圖所示，InnoMux2-EP的封裝具有小型化的特點(diǎn)，功率密度高，同時(shí)降低了PCB設(shè)計(jì)復(fù)雜度。

3

總結(jié)

總的來說，InnoMux2-EP系列的發(fā)布，讓氮化鎵第一次真正走進(jìn)了以前一直由碳化硅主導(dǎo)的高壓領(lǐng)域，讓氮化鎵芯片也能輕松應(yīng)對(duì)高電壓場(chǎng)景。

對(duì)用戶和開發(fā)人員而言，這意味著我們用更少的成本，就能實(shí)現(xiàn)過去只有碳化硅才能做到的性能，而且產(chǎn)品使用起來更省電、更耐用、維護(hù)也更少。InnoMux2-EP可以說為工業(yè)設(shè)備、電動(dòng)車、新能源系統(tǒng)甚至家電產(chǎn)品提供了一個(gè)性能更好又更經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的選擇。

歡迎將我們?cè)O(shè)為“星標(biāo)”，這樣才能第一時(shí)間收到推送消息。

關(guān)注EEWorld旗下訂閱號(hào)：“汽車開發(fā)圈”

回復(fù)“DS”領(lǐng)取《DeepSeek:從入門到精通》完整版資料

掃碼添加小助手回復(fù)“進(jìn)群”

和電子工程師們面對(duì)面交流經(jīng)驗(yàn)