使用集成式 eGaN 功率級(jí)構(gòu)建高能量密度電源

高能量密度開關(guān)模式電源 (SMPS) 可加快電池充電速度，減小太陽能微型逆變器的尺寸，并滿足服務(wù)器農(nóng)場電源要求，絕對(duì)不會(huì)出現(xiàn)過熱現(xiàn)象。然而，工程師現(xiàn)在面臨硅 MOSFET 和 IGBT 的性能極限，這些器件構(gòu)成傳統(tǒng) SMPS 的主要開關(guān)元件。相反，采用增強(qiáng)型氮化鎵 (eGaN)（一種寬帶隙半導(dǎo)體）制成的晶體管現(xiàn)可以克服硅器件的開關(guān)速度和能效限制。

以前，eGaN 晶體管的成本和可用性使其局限于最為復(fù)雜的電源應(yīng)用，但更廣泛的商業(yè)化已經(jīng)解決了這一難題。eGaN 晶體管現(xiàn)已廣泛用于各種應(yīng)用。

本文首先介紹相比基于傳統(tǒng)硅 (Si) MOSFET 或 IGBT 的高頻電源，基于 eGaN 開關(guān)元器件的高頻電源優(yōu)勢(shì)。接著會(huì)介紹如何使用EPC、Texas Instruments和Navitas Semiconductor的 eGaN 功率級(jí)來構(gòu)建適用于電池充電或服務(wù)器農(nóng)場等應(yīng)用的 SMPS 設(shè)計(jì)。

高頻優(yōu)勢(shì)

傳統(tǒng) SMPS 通常采用的開關(guān)頻率范圍為數(shù)十至數(shù)百千赫茲 (kHz)?；绢l率的脈沖寬度調(diào)制 (PWM) 的占空比決定了電源的電壓輸出。

較高開關(guān)頻率的主要優(yōu)勢(shì)在于減小了電感器、變壓器和電阻器等外設(shè)元器件的尺寸。因而，設(shè)計(jì)人員就可以在保持同等輸出功率的情況下簡化設(shè)計(jì)，從而增加能量密度。此外，SMPS 輸出端的電流和電壓紋波也會(huì)減少，從而降低了電磁干擾 (EMI) 的風(fēng)險(xiǎn)和濾波器電路的成本，并縮小了尺寸。

然而，傳統(tǒng)硅功率 MOSFET 和 IGBT 開關(guān)速度相對(duì)較慢，每次開通閉合時(shí)，器件耗散功率相當(dāng)大。隨著頻率的提高，功耗會(huì)成倍增加，導(dǎo)致能效降低和芯片溫度升高。開關(guān)速度慢且開關(guān)功耗大，給目前的 SMPS 實(shí)際開關(guān)頻率設(shè)置了上限。

設(shè)計(jì)人員可以借助寬帶隙半導(dǎo)體來打破這一上限。其中，GaN 是目前用于該應(yīng)用的最成熟、最便利的技術(shù)，而 eGaN 是 GaN 的改良版。

比較硅與 GaN

與硅相比，GaN 具有多種優(yōu)勢(shì)，其中幾種優(yōu)勢(shì)與該材料的電子遷移率較高有關(guān)。電子遷移率較高使半導(dǎo)體擊穿電壓更高（高于 600 伏），“電流密度”（安培/平方厘米(A/cm2)）更大。GaN 的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)在于采用該材料制成的晶體管不會(huì)出現(xiàn)反向恢復(fù)電荷，而這種現(xiàn)象可能會(huì)引起很大的開關(guān)過沖電流（瞬時(shí)振蕩）。

雖然這些特性對(duì)于電源設(shè)計(jì)人員來說很重要，但或許更重要的是，高電子遷移率使 GaN 晶體管的關(guān)斷時(shí)間大約只有硅 MOSFET 的四分之一。此外，在給定開關(guān)頻率和電流的情況下，每次開通閉合時(shí)，GaN 器件的功耗約為硅晶體管的 10% 至 30%。因此，與硅 MOSFET、IGBT 或碳化硅 (SiC) 器件相比，GaN 高電子遷移率晶體管 (HEMT) 的驅(qū)動(dòng)頻率更高（圖 1）。

圖 1：與硅或 SiC 器件相比，GaN HEMT 可實(shí)現(xiàn)更高頻率開關(guān)模式電源。（圖片來源：Infineon）

基于兩個(gè)關(guān)鍵原因，GaN HEMT 的普及速度比較緩慢。首先，這種器件實(shí)質(zhì)上是耗盡型場效應(yīng)晶體管 (FET)，即“常開”型。相反，硅 MOSFET 是增強(qiáng)型場效應(yīng)晶體管，即“常閉”型。因此，GaN HEMT 必須額外設(shè)計(jì)經(jīng)仔細(xì)調(diào)校的偏置電路才能正常工作。其次，這種晶體管在制造工藝方面與硅所采用的成熟、大批量技術(shù)不同，這使它們更為昂貴。設(shè)計(jì)復(fù)雜且成本過高使 GaN HEMT 應(yīng)用局限于高端 SMPS。

但最近，eGaN HEMT 已經(jīng)商業(yè)化，不再需要偏置電路。而且，芯片供應(yīng)商已推出基于 eGaN HEMT 的集成式電源 IC 驅(qū)動(dòng)器，簡化了設(shè)計(jì)。此外，生產(chǎn)水平的提高也降低了 eGaN 器件的成本。

集成式 GaN 解決方案

以前，在使用 eGaN HEMT 的高端 SMPS 設(shè)計(jì)中，由于價(jià)格高昂，設(shè)計(jì)人員只能將這些器件用作功率晶體管，而柵極驅(qū)動(dòng)器則還是使用硅 MOSFET。雖然與“全硅”設(shè)計(jì)相比實(shí)現(xiàn)了部分性能的提升，但組合設(shè)計(jì)中的硅元件仍然影響了最大開關(guān)頻率。此外，由于 GaN 和硅使用的工藝技術(shù)不同，柵極驅(qū)動(dòng)器和功率晶體管必須作為單獨(dú)的元器件制造，因而增加了成本和印刷電路板尺寸。

eGaN 價(jià)格降低使芯片制造商能夠解決這兩個(gè)問題。例如，Texas Instruments 在其LMG3411R070的集成柵極驅(qū)動(dòng)中集成了 70 毫歐姆 (mΩ)、600 伏 eGaN 功率級(jí)（圖 2）。

圖 2：Texas Instruments 的 LMG3411R070 在其驅(qū)動(dòng)器中集成了一個(gè) 70 mΩ、600 V 的 eGaN 功率級(jí)。（圖片來源：Texas Instruments）

該芯片的壓擺率可達(dá) 100 伏/納秒 (ns) 且瞬時(shí)振蕩近乎為零（圖 3）。相比之下，傳統(tǒng)硅功率 MOSFET 的壓擺率典型值為 3 至 10 V/ns。

圖 3：TI 的 LMG3411R070 集成式 eGaN 功率級(jí)表明，相比 MOSFET，eGaN 功率晶體管可以在瞬時(shí)振蕩最小的情況下實(shí)現(xiàn)更高的壓擺率。（圖片來源：Texas Instruments）

Navitas Semiconductor 制造了類似產(chǎn)品NV6113。該產(chǎn)品在 5 x 6 毫米 (mm) QFN 封裝中集成了 300 mΩ、650 V 的 eGaN HEMT、柵極驅(qū)動(dòng)器和相關(guān)邏輯電路。NV6113 的壓擺率可達(dá) 200 V/ns，工作頻率高達(dá) 2 兆赫茲 (MHz)。

TI 和 Navitas 的 GaN 功率級(jí)等器件可并行部署，用于常見的半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（圖 4），同時(shí)還有一些產(chǎn)品在同一芯片上集成了兩個(gè)功率晶體管（及對(duì)應(yīng)的柵極驅(qū)動(dòng)器）。

圖 4：如圖所示，Navitas 的 NV6113 可并行部署，用于半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。（圖片來源：Navitas Semiconductor）

例如，EPC 最近推出了EPC2115，這款集成驅(qū)動(dòng)器 IC，包含兩個(gè) 88 mΩ、150 V 的單片式 eGaN 功率晶體管，各配一個(gè)優(yōu)化型柵極驅(qū)動(dòng)器（圖 5）。EPC2115 采用低電感 2.9 x 1.1 mm BGA 封裝，最高可在 7 MHz 下運(yùn)行。

圖 5：EPC 的 eGaN 集成驅(qū)動(dòng)器 IC 包含兩個(gè)功率晶體管，各配有相應(yīng)的優(yōu)化型柵極驅(qū)動(dòng)器。（圖片來源：EPC）

一般情況下，使用 eGaN HEMT 設(shè)計(jì)電源與使用硅 MOSFET 設(shè)計(jì)遵循相同的原理，但是工作頻率更高會(huì)影響外設(shè)元器件的選擇。

外設(shè)元器件的選擇

為了說明頻率對(duì)元器件選擇的影響，請(qǐng)考慮為實(shí)現(xiàn)簡單的 DC-DC SMPS 降低電壓（“降壓”）拓?fù)?，如何選擇輸入電容器。

輸入電容器可降低輸入電壓紋波幅度，進(jìn)而抑制紋波電流，使其達(dá)到可由相對(duì)便宜的大容量電容器處理的水平，且不會(huì)產(chǎn)生過大的功率耗散。若要將大容量電容器的電流保持在可接受限值范圍內(nèi)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，最好是將峰-峰電壓紋波幅度降低到 75 毫伏 (mV) 以下。輸入電容器通常是陶瓷器件，因?yàn)樗鼈冎恍铇O小的等效串聯(lián)電阻 (ESR) 就能有效降低紋波電壓。

若要確定將峰-峰值電壓紋波幅度降低到既定幅度所需的陶瓷輸入電容器的電容值，可以使用公式 1：

其中：

• CMIN是所需陶瓷輸入電容器的最小電容（以微法 (μF) 為單位）
• fSW是開關(guān)頻率（以 kHz 為單位）
• VP(max)是允許的最大峰-峰紋波電壓
• IOUT是穩(wěn)態(tài)輸出負(fù)載電流
• dc 是占空比（如上所述）
• （引自參考文獻(xiàn) 1）

對(duì)于高端硅功率級(jí)，使用一些工作典型值計(jì)算可得出：

• VIN= 12 V
• VOUT= 3.3 V
• IOUT= 10 A
• η = 93%
• fSW= 300 kHz
• dc = 0.296
• VP(max)= 75 mV

求得 CMIN= 92 μF

對(duì)效率略有提高而其他工作條件類似的 eGaN 功率級(jí)（如工作頻率為 2 MHz 的 Navitas 器件）重復(fù)以上計(jì)算可得出：

• VIN= 12 V
• VOUT= 3.3 V
• IOUT= 10 A
• η = 95%
• fSW= 2000 kHz
• dc = 0.289
• VP(max)= 75 mV

求得 CMIN= 13 μF

CMIN減小，因而可以使用較小元器件。

盡管 eGaN HEMT 的快速關(guān)斷通常很有優(yōu)勢(shì)，但也帶來了一些獨(dú)特的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。其中最重要的就是造成過高的壓擺率。

控制壓擺率

較高的壓擺率 (dV/dt) 可能會(huì)引起以下問題：

• 增加開關(guān)損耗
• 輻射和傳導(dǎo) EMI
• 在與開關(guān)節(jié)點(diǎn)耦合的電路中，對(duì)其他器件造成干擾
• 由于電源回路的電感和其他寄生元件，造成了開關(guān)節(jié)點(diǎn)的電壓過沖和瞬時(shí)振蕩

這些問題在啟動(dòng)或硬開關(guān)條件下最為明顯。

使用 Navitas 產(chǎn)品時(shí)，一種簡單的解決方案是通過在 CVDD電容器與 VDD引腳之間添加電阻器來控制導(dǎo)通時(shí)的壓擺率（同樣見圖 4）。該電阻器 (RDD) 的大小決定了集成式柵極驅(qū)動(dòng)器的導(dǎo)通電流和功率 FET 漏極的導(dǎo)通（下降）沿壓擺率（圖 6）。

圖 6：RDD電阻器的大小決定了 NV6113 導(dǎo)通電流和功率 FET 漏極的導(dǎo)通（下降）沿壓擺率。（圖片來源：Navitas Semiconductor）

只需將電阻器 (RDRV) 連接到功率晶體管源極，LMG3411 也支持壓擺率調(diào)節(jié)（同樣見圖 2）。選擇電阻器可將漏極電壓的壓擺率控制在大約 25 至 100 V/ns 之間。

壓擺率的選擇最終是一種權(quán)衡。開關(guān)速度更快，導(dǎo)致同時(shí)（且低效地）產(chǎn)生的大電流持續(xù)時(shí)間縮短，因此可降低功率損耗，但其他性能指標(biāo)也隨之降低。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，最好是在確保 EMI、過沖和瞬時(shí)振蕩在規(guī)定范圍內(nèi)的前提下，實(shí)現(xiàn)最快的開關(guān)速度。

第二個(gè)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)是因高頻工作引起過流事件的風(fēng)險(xiǎn)。

過流保護(hù)的重要性

設(shè)計(jì)具有更高開關(guān)頻率 SMPS 的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)是縮小無源元器件的尺寸，進(jìn)而增大整體功率密度。但缺點(diǎn)在于在發(fā)生過流事件時(shí)，高功率密度會(huì)增大受損的可能性。過流事件是 SMPS 經(jīng)常存在的風(fēng)險(xiǎn)。此外，由于電源印刷電路板印制線的外部寄生電感，過高尖峰電流可能導(dǎo)致誤觸發(fā)。

雖然快速過流保護(hù) (OCP) 對(duì)于使用傳統(tǒng) MOSFET 的 SMPS 來說很重要，但對(duì)于 eGaN HEMT 來說卻更為重要，因?yàn)椋?/p>

• 在阻斷電壓和導(dǎo)通電阻相同的情況下，eGaN HEMT 的尺寸要小得多，因此在過流時(shí)就更難散熱；
• eGaN HEMT 在線性區(qū)域內(nèi)工作時(shí)，就必須檢測出過流，否則器件會(huì)迅速進(jìn)入飽和狀態(tài)，從而導(dǎo)致功率耗散過大和器件受損。

一種傳統(tǒng)的 OCP 方法是使用電流互感器、分流電阻器或去飽和檢測電路（如下表）。然而，這會(huì)增大電源回路的寄生電感和電阻，反而需要降低壓擺率，且導(dǎo)致功率耗散升高，從而對(duì)系統(tǒng)性能產(chǎn)生不利影響。此外，互感器或分流電阻器等分立器件會(huì)增加成本，占用電路板空間。

另一種 OCP 方法是使用電流檢測元件、電平位移器（將信號(hào)發(fā)送給控制器）和檢測電路來檢測 GaN FET 的漏源電壓 (VDS)。這種方法的優(yōu)勢(shì)在于不產(chǎn)生寄生電感和電阻，故不會(huì)影響電路性能，但精度不佳，主要是因?yàn)?GaN 的溫度系數(shù)較大。

第三種方法是選擇集成了 OCP 功能的集成式 eGaN 功率級(jí)。這克服了上述兩種方法的缺點(diǎn)。TI 的 LMG3411 就是一款具備此功能的產(chǎn)品。若檢測到過流，LMG3411 的保護(hù)電路可在 100 ns 內(nèi)關(guān)斷 eGaN HEMT。若下一個(gè)周期時(shí)，PWM 輸入恢復(fù)為低電平，則輸出故障信號(hào)便會(huì)清除。這樣，下一個(gè)周期時(shí) eGaN HEMT 就能正常導(dǎo)通，從而最大限度地減少輸出中斷。

表：GaN HEMT 功率級(jí)的 OCP 方法選擇匯總。對(duì)于不熟悉該技術(shù)的設(shè)計(jì)人員來說，選擇集成 OCP 的功率級(jí)是最簡單的解決方案。（圖片來源：Texas Instruments）

總結(jié)

隨著太陽能逆變器和服務(wù)器農(nóng)場等應(yīng)用對(duì)高能量密度 SMPS 的需求不斷增長，加之每個(gè)器件成本的降低，eGaN HEMT 成為更多電源設(shè)計(jì)的有吸引力選擇。雖然使用 eGaN HEMT 進(jìn)行設(shè)計(jì)可能非常棘手，但隨著集成了柵極驅(qū)動(dòng)器和功率晶體管的 eGaN HEMT 功率級(jí)的推出，SMPS 設(shè)計(jì)人員能更輕松地將該技術(shù)融入下一個(gè)高功率密度設(shè)計(jì)之中。