高功率密度，就是追求在更小的空間內實現更高的功率，從而以更低的系統成本增強系統功能。實現高功率密度的途徑，一是減小體積，二是提高功率。于是，開關高頻化就成了實現高功率密度普遍性的解決方案之一。目前，以氮化鎵(GaN)為首的第三代半導體材料在提高開關頻率，減小開關損耗上優勢明顯，進而使設備的尺寸更小、熱性能更出色、效率更高。

德州儀器(TI)近年來在高功率密度方面不斷突破，采用獨特集成技術縮減封裝尺寸，利用高級冷卻技術提高熱性能，以及通過多級轉換器拓撲提高效率，全方位提升功率密度，滿足市場對電源設計的整體需求。近日，更是一口氣發布兩款功率密度相關的功率轉換器件產品，包括面向中壓應用的100V集成式GaN功率級產品LMG2100R044和LMG3100R017，以及1.5W隔離式直流/直流模塊UCC33420-Q1。

集成式GaN功率級產品，中壓應用的創新之作

電子產品正朝著更小、更快、更強的方向演化。TI全新發布的100V集成式GaN功率級產品包括半橋模塊LMG2100R044，以及單管GaN加上驅動的集成LMG3100R017，這兩款產品都得益于TI對氮化鎵的優化，它的最大特點是小體積和高功率密度。通過高度集成、更高開關效率和更小巧的磁性元件可實現高達1.5kW/in³以上的功率密度，印刷電路板(PCB)尺寸減小40%以上，以及更低的BOM數量，更低的整體系統成本。

“做這個產品的時候，TI選擇把驅動和GaN集成在一起，而且設計了半橋和單管這兩種模式去滿足不同的應用場合。通過減少損耗，可以把電源的設計頻率推高。頻率推高之后，電源系統設計的需求，包括電感、變壓器和母排電容尺寸等都可以相應降低，從而使電源級系統的功率密度實現很高的提升。”德州儀器(TI)氮化鎵產品業務負責人楊斐博士解釋說：“通過把驅動和氮化鎵集成到一起，印刷電路板的尺寸可以縮小40%。同時通過提升開關頻率，整個電源的被動元件數量也可以相應減少，使功率密度可以達到1.5kW/in³以上。”

在提升功率密度的同時，TI也考慮到了系統散熱。新品采用了熱增強雙面冷卻封裝技術簡化散熱設計，頂層和背面的雙面散熱，一方面可以縮小體積，另一方面可以把芯片產生的熱量通過兩面散出去，整個系統的散熱成本都能得到優化，甚至在有某些應用中不需要任何散熱器就可以滿足系統的散熱要求。

除此之外，新品還可以幫助工程師在不同的應用及常見拓撲中實現系統的整體優化，包括降壓轉換器、升壓轉換器、降壓/升壓轉換器、LLC 轉換器、PSFB、BLDC 電機驅動器和D類音頻等。

舉個微型逆變器的例子，從效率的角度來看，如果采用硅器件的設計，效率能達到94%-96%；而如果采用GaN，與硅和分立式解決方案相比，輸出電容降低60%，柵極驅動器損耗降低50%，因此系統效率可提高至98%以上，這將為家用光伏系統或儲能系統帶來更多的經濟效益。從功率密度的角度來看，使用了氮化鎵器件后能提升頻率，從而減小系統體積，實現系統功率密度的大幅提升。高功率密度帶來的優勢有很多：第一，更小的體積能滿足客戶在工業上的需求；第二，可以優化系統的整體成本，因為體積小了之后，系統安裝、包裝成本都會減小。從電源設置的角度來看，當頻率提高后，包括輸出電容、電感等被動元件的尺寸都會減小，這些組件減小之后，系統的BOM也會隨之減小。新的氮化鎵產品集成了驅動和GaN，所以外圍需要的電路也非常少。因此，無論是從系統還是外圍電路，是從整體還是局部，新品都能同時滿足降低成本，提升系統效率以及提升功率密度三點。

采用GaN技術提高功率密度可以使設備的尺寸更小、熱性能更出色、功效更高。楊斐博士表示，雖然氮化鎵的成本比較高，但作為功率器件，氮化鎵帶來的不僅僅是單個產品的提升，而是整個系統的提升，包括電感、輸出及輸入電容體積的減小，從整個電源的設計來看，還可以通過提高頻率減少被動元件，從而實現整體系統成本的下降。此外，還包含系統中散熱器的減小。從綜合成本來看，氮化鎵其實可以在系統中帶來很多的優勢。

TI還擁有豐富的GaN設計資源，包括功率損耗計算器、用于電路仿真的PLECS模型以及用于在更大系統中進行測試和運行的評估板，可以大幅幫助工程師縮短產品面市的時間。目前兩款100V GaN產品均支持預量產，LMG2100R044 GaN功率級采用5.5mm x 4.5mm 16引腳QFN封裝，LMG3100R017 GaN功率級采用6.5mm×4.0mm 16引腳QFN封裝。參考設計覆蓋微逆系統、數字中心設計和車載48V轉12V等應用。

1.5W隔離式DC/DC模塊，使偏置電源尺寸縮減89%以上

隨著全球向車輛電氣化的邁進，動力總成和BMS設計工程師不斷在尋找新的方式來提高系統級的功率密度和效率。過去，隔離式輔助電源解決方案通常采用笨重、龐大且易受振動影響的變壓器，設計的布局也因此變得很復雜，并且會導致較高的輻射 EMI。為應對此挑戰，TI發布最新的隔離式輔助電源解決方案——新款1.5W隔離式DC/DC模塊UCC33420-Q1。它在4mm×5mm的封裝中集成了變壓器，實現了以單一模塊為多個IC供電，功率密度比分立式解決方案高8倍以上，功率密度比同類模塊高3倍，并將外部元件減少50%，高度降低75%，尺寸縮小89%以上。

UCC33420-Q1是目前市場上率先采用超小型封裝且符合汽車標準的1.5W隔離式DC/DC模塊，可以應用在汽車的BMS、OBC、牽引逆變器、數字隔離器、CAN總線隔離，MCU、電壓和電流傳感器的隔離供電。在很多需要信號采集或者信號傳輸的場合，會用到通訊協議，也就需要用隔離把安全電壓和具有危險的電壓隔絕，這些地方都可以使用UCC33420。

在介紹UCC33420-Q1的工作原理時，德州儀器(TI)中國區技術支持經理寧玉懷先生表示，UCC33420-Q1將隔離電源變壓器、初級側和次級側電橋與控制邏輯集成到一個封裝中，因此設計人員無需在BMS系統中使用變壓器，從而提高可靠性、簡化設計并加強抗振性。UCC33420-Q1同時采用EMI優化型變壓器，使設計人員能夠輕松滿足最嚴苛的EMI要求，例如CISPR 32和CISPR25 5類合規標準，同時減少了元件數量并簡化了濾波器設計。它具有大于200V/ns的業內超高共模瞬態抗擾性(CMTI)和低于3pF的初級到次級的電容，因此可承受極高的電壓瞬變，有效抵抗噪聲。

“相比于上一代，第二代隔離電源UCC33420把開關頻率提升了3倍以上，并優化了變壓器設計，進一步降低成本。同時采用獨特的效能控制，針對更快開關速度下EMI的透滲做了特別的處理，以保證在3倍的開關頻率下擁有相同水準的效率。”寧玉懷補充道。

UCC33420除了汽車版本以外還有工業的版本，可以應用在充電樁、儲能、醫療監控設備、工廠自動化IO模塊、數據中心電源等領域。

目前，UCC33420和UCC33420-Q1隔離式DC/DC模塊采用4mm×5mm 12引腳VSON封裝，UCC33420-Q1的更低輸入電壓、輸出電壓和額定功率版本預計將于2024年第二季度面市。屆時還將推出適于800V及以上應用的其他封裝選項。

從處理能力更高的數據中心到空間受限的電動汽車系統，工程師越來越強烈地感受到在更小空間內實現更高功率，同時以更低成本增強功能的迫切性。TI希望憑借著自己的強大的創新力，完整的產業線，穩定可靠且長期的供貨周期，以及對目標市場的深刻理解，全方位提升功率密度，為全球設計工程師提供更多更優秀的解決方案。