GaN電源系統(tǒng)性能升級(jí)的奧秘

如今，以GaN和SiC為代表的第三代半導(dǎo)體技術(shù)風(fēng)頭正勁。與傳統(tǒng)的半導(dǎo)體材料相比，GaN和SiC禁帶寬度大、擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度高、電子遷移率高、熱導(dǎo)電率大、介電常數(shù)小、抗輻射能力強(qiáng)……因此可實(shí)現(xiàn)更高的功率密度、更高的電壓驅(qū)動(dòng)能力、更快的開(kāi)關(guān)頻率、更高的效率、更佳的熱性能、更小的尺寸，在高溫、高頻、高功率、高輻射等功率電子應(yīng)用領(lǐng)域，不斷在向傳統(tǒng)的硅基IGBT和MOSFET器件發(fā)起強(qiáng)勁的沖擊。

在這個(gè)第三代半導(dǎo)體技術(shù)的熱潮之中，GaN相較于SiC，表現(xiàn)出了更高的成長(zhǎng)性。根據(jù)Yole Development公司的預(yù)測(cè)，全球GaN功率器件市場(chǎng)規(guī)模將從2020年的4,600萬(wàn)美元，快速攀升至2026年的11億美元，平均年復(fù)合成長(zhǎng)率高達(dá)70%!

之所以會(huì)獲得如此高的加速度，從2020年起GaN器件向智能手機(jī)快速充電器市場(chǎng)的成功滲透，功不可沒(méi)。不過(guò)除此之外，GaN器件自身那些頗“招人喜歡”的特質(zhì)，才是更根本的原因。

GaN的優(yōu)勢(shì)

由于特性的不同，GaN和SiC在功率電子領(lǐng)域有著明顯的應(yīng)用市場(chǎng)區(qū)隔：SiC器件可以提供高達(dá)1,200V的電壓等級(jí)，并具有高載流能力，因此在汽車(chē)和機(jī)車(chē)牽引逆變器、高功率太陽(yáng)能發(fā)電站和大型三相電網(wǎng)轉(zhuǎn)換器等應(yīng)用上優(yōu)勢(shì)明顯;而GaN器件的電壓等級(jí)通常為600V左右，但具有更高的開(kāi)關(guān)品質(zhì)、支持更高的開(kāi)關(guān)頻率，可謂是10kW以下應(yīng)用的理想之選，因此應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，涵蓋消費(fèi)電子、通信和工業(yè)交直流電源、電動(dòng)汽車(chē)車(chē)載充電器、電源適配器、伺服驅(qū)動(dòng)功率級(jí)等產(chǎn)品。

在10kW以下的市場(chǎng)，盡管SiC器件也有所涉獵，但是相較而言GaN在以下三個(gè)方面的優(yōu)勢(shì)更為突出。

首先，GaN FET采用的橫向結(jié)構(gòu)內(nèi)沒(méi)有PN結(jié)，因此也就沒(méi)有體二極管和與其相關(guān)的反向恢復(fù)過(guò)程;而SiC FET中存在體二極管，開(kāi)關(guān)時(shí)需要一個(gè)反向恢復(fù)過(guò)程，這就會(huì)帶來(lái)額外的反向恢復(fù)損耗和時(shí)間，影響開(kāi)關(guān)的功耗和速度。換言之，在10kW以下的應(yīng)用中，GaN具有更出色的開(kāi)關(guān)品質(zhì)，可在更高開(kāi)關(guān)頻率下工作，這也使得采用更小體積的外圍元件成為可能。

圖1：不同功率電子器件的應(yīng)用領(lǐng)域

(圖源：TI)

其次，SiC器件需要采用更為昂貴的襯底材料以及專(zhuān)用的制造工藝，這會(huì)提高其應(yīng)用的總體成本;而GaN器件可基于標(biāo)準(zhǔn)的Si襯底制成，其后繼的降本空間更大。綜合評(píng)估，GaN在總體擁有成本上，隨著時(shí)間的推移會(huì)更具優(yōu)勢(shì)。

圖2：不同F(xiàn)ET技術(shù)的成本變化趨勢(shì)

(圖源：TI)

再有，由于GaN器件的制造工藝與傳統(tǒng)的Si半導(dǎo)體工藝兼容性強(qiáng)，這就使得在同一器件封裝中可以做更多的文章，比如???????????將驅(qū)動(dòng)器和GaN FET集成在一起，以及增加其他更多功能，這無(wú)疑會(huì)對(duì)提升系統(tǒng)性能、優(yōu)化設(shè)計(jì)、降低系統(tǒng)成本大有裨益。

集成驅(qū)動(dòng)器

傳統(tǒng)GaN器件應(yīng)用系統(tǒng)都是采用分立的GaN FET和驅(qū)動(dòng)器IC組合而成的，這是因?yàn)镚aN FET和驅(qū)動(dòng)器是采用不同工藝技術(shù)制造的，有的時(shí)候還需要選用不同供應(yīng)商的器件。但是這種分立的架構(gòu)在面對(duì)高壓擺率開(kāi)關(guān)應(yīng)用時(shí)，就會(huì)遇到挑戰(zhàn)，原因是不同器件封裝和器件之間互連的焊線和引線會(huì)帶來(lái)寄生電感，而這些寄生電感會(huì)導(dǎo)致開(kāi)關(guān)損耗、振鈴和可靠性等多方面的問(wèn)題。

想要消除這些由寄生電感帶來(lái)的問(wèn)題，一個(gè)行之有效的解決方案就是：將GaN FET和驅(qū)動(dòng)器集成在一個(gè)封裝內(nèi)，以大地減少寄生電感。

圖3對(duì)GaN FET和驅(qū)動(dòng)器分立封裝架構(gòu)和單一封裝的集方案進(jìn)行了比較，后者對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)會(huì)帶來(lái)哪些性能方面的提升，我們下面會(huì)做進(jìn)一步的分析。

圖3：GaN FET和驅(qū)動(dòng)器分立架構(gòu)(a)和集成封裝(b)方案的比較(圖源：TI)

共源電感

由于GaN FET的開(kāi)關(guān)速率很高，這時(shí)共源電感這個(gè)寄生要素的影響就不得不考慮了。在圖3a中，Lcs就是共源電感，在傳統(tǒng)的TO-220分立封裝中，GaN FET的源和由焊線流至引線，汲取電流和柵極電流都從這里流過(guò)。當(dāng)包含焊線和封裝引線的共源電感高于10nH時(shí)，就會(huì)限制壓擺率，而較低的壓擺率意味著更長(zhǎng)的轉(zhuǎn)換時(shí)間，進(jìn)而導(dǎo)致更高的交叉?zhèn)鲗?dǎo)損耗，增加總的開(kāi)關(guān)損耗。

而如果采用圖3b中的集成式封裝，驅(qū)動(dòng)器的接地直接焊接至GaN FET裸片的源極焊墊，大幅度地縮短了電源環(huán)路與柵極環(huán)路公用的共源電感路徑，使得GaN器件能夠以更高的電流壓擺率進(jìn)行開(kāi)關(guān)，降低開(kāi)關(guān)損耗。

柵極環(huán)路電感

柵極環(huán)路電感包括柵極電感和驅(qū)動(dòng)器接地電感，其對(duì)開(kāi)關(guān)性能影響巨大。在GaN FET關(guān)閉時(shí)，柵極被一個(gè)電阻器下拉，這個(gè)電阻器阻值要足夠低，才不會(huì)在開(kāi)關(guān)期間由于漏極被拉高而重新接通。這個(gè)電阻器與GaN器件的柵極電容和柵極環(huán)路電感組成了一個(gè)L-R-C槽路，當(dāng)柵極環(huán)路電感值較大時(shí)，其品質(zhì)因數(shù)Q會(huì)增加，產(chǎn)生更高的振鈴，從而顯著增加GaN FET柵極的應(yīng)力——要知道，F(xiàn)ET柵極上的過(guò)應(yīng)力會(huì)對(duì)可靠性產(chǎn)生不良影響。

柵極環(huán)路電感還會(huì)影響到關(guān)斷保持能力。當(dāng)?shù)凸芷骷臇艠O保持在關(guān)閉電壓而高管導(dǎo)通時(shí)，低管漏極電容將一個(gè)大電流傳送至柵極的保持環(huán)路中，這個(gè)電流會(huì)通過(guò)柵極環(huán)路電感將柵極VGS推上去，從而增加直通電流，而直通電流的提升會(huì)導(dǎo)致交叉?zhèn)鲗?dǎo)能量損耗的增加。而且你會(huì)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)柵極環(huán)路電感較高時(shí)，減少柵極應(yīng)力和增強(qiáng)器件關(guān)斷保持，兩者是很難兼得的。

GaN FET+驅(qū)動(dòng)器的集成式封裝顯然是減少柵極環(huán)路電感的好辦法。從圖3中可以看出，分立架構(gòu)中(圖3a)，柵極電感包括驅(qū)動(dòng)器輸出焊線Ldrv_out、GaN柵極焊線Lg_gan和PCB跡線Lg_pcb，電感值通常從幾nH到10nH以上;而如果是集成式封裝(圖3b)，則可以將柵極電感控制在1nH以下，這就為系統(tǒng)性能整體的優(yōu)化提供了保障。

保護(hù)功能支持

為了確保GaN FET安全可靠工作，保護(hù)功能必不可少。比如過(guò)溫保護(hù)可以在感測(cè)到溫度超過(guò)保護(hù)閾值時(shí)，將GaN FET關(guān)閉。當(dāng)GaN FET和驅(qū)動(dòng)器被集成在一個(gè)封裝內(nèi)時(shí)，由于引線框架具有良好的導(dǎo)熱性，也就能夠確保兩者的溫度比較接近，使得過(guò)熱保護(hù)設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)捷高效。

對(duì)GaN進(jìn)行電流保護(hù)時(shí)，需要GaN器件與驅(qū)動(dòng)器之間具有低電感連接，這是因?yàn)橐暂^大壓擺率進(jìn)行快速開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)，互連線路中額外的電感會(huì)導(dǎo)致振鈴，并需要較長(zhǎng)的消隱時(shí)間來(lái)防止電流保護(hù)失效。而集成式封裝方案正好可以減少互連電感，讓電流保護(hù)電路在需要的時(shí)候盡可能快地做出反應(yīng)。

歸納一下，當(dāng)我們將GaN FET和驅(qū)動(dòng)器集成在單一封裝中之后，可以消除共源電感，實(shí)現(xiàn)高電流壓擺率;也可以減少柵極環(huán)路電感，降低關(guān)閉過(guò)程中的柵極應(yīng)力并提升器件的關(guān)斷保持能力;同時(shí)，還有助于支持高效可靠的過(guò)熱和過(guò)流過(guò)壓等保護(hù)功能的實(shí)現(xiàn)，可謂是一舉多得!

TI的GaN功率級(jí)

Texas Instruments(TI)的LMG341x系列GaN功率級(jí)器件，就是采用“GaN FET + 驅(qū)動(dòng)器”這種集成化封裝，而且在其中還整合了豐富的保護(hù)功能，可讓開(kāi)發(fā)者充分利用GaN器件的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)更高功率密度和更高效率的功率電子應(yīng)用設(shè)計(jì)。

以該系列產(chǎn)品中的LMG341xR150為例，與傳統(tǒng)的硅MOSFET相比，其具有超低的輸入和輸出電容值，零反向恢復(fù)特性可將開(kāi)關(guān)損耗降低80%，且實(shí)現(xiàn)了更低的EMI和開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)振鈴，這些優(yōu)勢(shì)使其可作為圖騰柱PFC之類(lèi)的高密度、高效率拓?fù)湓O(shè)計(jì)的理想解決方案。

圖4：LMG341xR150的系統(tǒng)框圖

(圖源：TI)

由于集成柵極驅(qū)動(dòng)器，該器件實(shí)現(xiàn)了零共源電感，20ns的傳播延遲確保其在MHz級(jí)頻率下工作，在100V/ns開(kāi)關(guān)條件下(用戶可在25V/ns至100V/ns間調(diào)節(jié)壓擺率)的Vds振鈴幾乎為零，因此LMG341xR150可以作為傳統(tǒng)共源共柵GaN和分立GaN FET架構(gòu)的替代產(chǎn)品，很大幅度地提高電源性能和可靠性，并大大簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。

圖5：LMG341xR150在100V/ns時(shí)的開(kāi)關(guān)性能

(圖源：TI)

LMG341xR150還提供了強(qiáng)大的保護(hù)功能，包括過(guò)流保護(hù)(響應(yīng)時(shí)間低于100ns，壓擺率抗擾性高于150V/ns)、瞬態(tài)過(guò)壓抗擾度、過(guò)熱保護(hù)，以及針對(duì)所有電源軌的UVLO保護(hù)，且可提供自監(jiān)控功能，這就省去外部保護(hù)組件，有助于簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，降低系統(tǒng)成本。

毋庸置疑。GaN技術(shù)的推廣和應(yīng)用，為功率電子產(chǎn)品的升級(jí)提供了巨大的推動(dòng)力。不過(guò)，想讓GaN的優(yōu)勢(shì)特性充分發(fā)揮出來(lái)，除了在GaN器件本身的“雕琢”上精益求精，也需要充分考慮到整個(gè)電源系統(tǒng)的影響因素。事實(shí)證明，將驅(qū)動(dòng)器和GaN FET集成在一個(gè)封裝中，就是從系統(tǒng)角度進(jìn)行優(yōu)化的一個(gè)行之有效的方案，可以在提升GaN電源系統(tǒng)性能的同時(shí)，也讓整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程更快捷!

如果你在用分立式的GaN器件搭建方案時(shí)遇到瓶頸，不妨去嘗試一下LMG341xR150這種“GaN FET + 驅(qū)動(dòng)器 + 保護(hù)功能”的集成式解決方案，一定會(huì)有不少“驚喜”等著你!

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原文標(biāo)題：集成驅(qū)動(dòng)器!原來(lái)，GaN電源系統(tǒng)性能升級(jí)的奧秘在這里~

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審核編輯：湯梓紅