通過(guò)單片GaN集成提高性能，同時(shí)減小尺寸和成本

15 V 至 350 V 范圍內(nèi)的氮化鎵 （GaN） 異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)功率晶體管已被證明在功率轉(zhuǎn)換、電機(jī)驅(qū)動(dòng)和激光雷達(dá)脈沖光等應(yīng)用中在效率、尺寸、速度和成本方面比硅具有顯著優(yōu)勢(shì)。這些優(yōu)勢(shì)是由于臨界電場(chǎng)比硅高一個(gè)數(shù)量級(jí)，特別是在帶隙方面有3倍的優(yōu)勢(shì)，在電子遷移率方面有1.3倍的優(yōu)勢(shì)。

由此產(chǎn)生的設(shè)備切換速度更快，物理尺寸更小，R 更低DS（on），并且可以承載更高的固有電流[1]。當(dāng)今的大多數(shù)GaN晶體管都具有橫向結(jié)構(gòu)，允許將許多晶體管經(jīng)濟(jì)高效地集成到單個(gè)基板上，如圖1所示[2]。

圖1.

顯示GaN集成電路構(gòu)建模塊的橫截面。圖片由 Bodo 的動(dòng)力系統(tǒng)提供

分立式柵極驅(qū)動(dòng)器

每個(gè)功率晶體管都與柵極驅(qū)動(dòng)器緊密配合，作為電力電子開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器的基本構(gòu)建模塊。對(duì)于導(dǎo)通，柵極驅(qū)動(dòng)器從去耦電容中充電并將其輸送到功率晶體管的柵極電容，電流從功率晶體管的源返回去耦電容。對(duì)于關(guān)斷，柵極驅(qū)動(dòng)器將柵極連接到源極，以從柵極中移除電荷。高轉(zhuǎn)換速度是高頻工作的關(guān)鍵，柵極驅(qū)動(dòng)器必須克服導(dǎo)通和關(guān)斷環(huán)路的電阻和電感，才能獲得在高頻下工作的高效解決方案。這意味著一個(gè)強(qiáng)大的（低電阻）驅(qū)動(dòng)器和一個(gè)低環(huán)路電感。

圖2顯示了電源模塊分立解決方案的導(dǎo)通（a）和關(guān)斷（b）柵極驅(qū)動(dòng)環(huán)路及其雜散電感。雜散電感來(lái)自走線(xiàn)和互連，例如引線(xiàn)鍵合、焊料凸點(diǎn)和 PCB 走線(xiàn)。GaN器件是橫向的，所有電氣連接都在同一表面上，允許具有焊料凸點(diǎn)的晶圓級(jí)封裝。它們的電感比具有垂直結(jié)構(gòu)的硅MOSFET所需的引線(xiàn)鍵合或夾子低得多。具有柵極驅(qū)動(dòng)器的GaN晶體管的分立實(shí)現(xiàn)方案具有電容器等效串聯(lián)電感（ESL）的電感、柵極驅(qū)動(dòng)器V的焊料凸點(diǎn)或引線(xiàn)鍵合DD/ 5黨衛(wèi)軍，以及功率晶體管柵極和源極的焊錫凸點(diǎn)，以及PCB走線(xiàn)。這些電感阻礙了功率晶體管柵極電容的充電和放電，從而減慢了開(kāi)關(guān)速度并增加了換向損耗。

特別值得關(guān)注的是共源電感（L.CS).這是柵極驅(qū)動(dòng)和電源環(huán)路共有的電感。它由功率晶體管源極焊料凸塊和分離點(diǎn)之前的任何源極PCB走線(xiàn)組成。良好的設(shè)計(jì)做法是將這些環(huán)路分離得盡可能靠近FET的源極。共源電感的影響是電源環(huán)路di/dt在L兩端感應(yīng)電壓.CS從 V 中減去一般事務(wù)人員在導(dǎo)通期間應(yīng)用于功率晶體管（并添加到 V一般事務(wù)人員關(guān)斷期間），減慢電流換向并增加開(kāi)關(guān)損耗[3][4]。

圖片由 Bodo 的動(dòng)力系統(tǒng)提供

b.圖片由 Bodo 的動(dòng)力系統(tǒng)提供

c. 圖片由Bodo's Power Systems提供

d.

圖2.

電源阻斷柵極驅(qū)動(dòng)環(huán)路：（a） 分立導(dǎo)通、（b） 分立關(guān)斷、（c） 集成氮化鎵導(dǎo)通、（d） 集成氮化鎵關(guān)斷。圖片由 Bodo 的動(dòng)力系統(tǒng)提供

考慮激光雷達(dá)激光驅(qū)動(dòng)器等應(yīng)用，需要在 100 ns 內(nèi)打開(kāi) 1 A?；倦娮訉W(xué)告訴我們V = L di/ dt。50 pH 值 L.CS感應(yīng)5 V，在柵極驅(qū)動(dòng)阻抗兩端留出0 V以開(kāi)啟功率晶體管，從而無(wú)法實(shí)現(xiàn)所需的DI/dt。雖然這個(gè)例子是極端的，但在電源轉(zhuǎn)換和電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中，實(shí)際、共源電感對(duì)電流換向時(shí)間的影響非常大。電流換向時(shí)間由公式1估算，其中電流換向所需的柵極電荷由（Q一般事務(wù)人員， p克（千））， RG為集總柵極驅(qū)動(dòng)阻抗，V一般事務(wù)人員是支持換向電流所必需的功率晶體管柵極驅(qū)動(dòng)電壓，并且VDD是柵極驅(qū)動(dòng)器電壓。

t=ZG(QGS?QG(TH))+LCSIDVDD?VGS（1） 電流換向時(shí)間

E=t?ID?D2（2） 電流換向時(shí)間造成的能量損失

P=E?fP=E?f

（3） 電流換向時(shí)間造成的功率損耗

例如，考慮EPC2088 [5] 硬導(dǎo)通，在 50 MHz 時(shí)換向 25 V、1 A。一般事務(wù)人員= 4.4 nC， Q克（千）= 3.2 nC， ZG= RG（0.4 Ω） 加上 0.7 Ω 柵極驅(qū)動(dòng)器電阻（忽略柵極驅(qū)動(dòng)環(huán)路電感），VDD= 5 V， V一般事務(wù)人員@ 25 A = 2.3 V，L.CS= 100 pH值。The ZG公式1的項(xiàng)得到t = 600 ps換向時(shí)間。The L.CS項(xiàng)導(dǎo)致 1.14 ns 電流換向時(shí)間。在本例中，65%的電流換向時(shí)間是由共源電感引起的。使用公式2和公式3，每個(gè)周期在切換710 A和25 V時(shí)損失50 μJ的能量，僅在共源電感下在710 MHz處消耗1 mW的功率。很明顯，必須將共源電感降至最低，以實(shí)現(xiàn)尺寸減小和高頻的系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)。

其余柵極驅(qū)動(dòng)環(huán)路電感對(duì)開(kāi)關(guān)損耗的影響要直接得多，因?yàn)樗鼈兪荝LC環(huán)路，其中電阻和電感阻礙柵極電容的充電，如果電感過(guò)高，則必須增加電阻以控制柵極過(guò)沖和振鈴，從而進(jìn)一步增加換向損耗。公式4顯示了柵極回路臨界阻尼所需的電阻，其中RG（開(kāi)）是總導(dǎo)通柵極環(huán)路電阻，LG（on）是導(dǎo)通柵極環(huán)路電感，Lcs是共源電感，CGS（on）是換向電壓下的FET柵源電容[4]。由于時(shí)間、能量和功率與共源電感成線(xiàn)性關(guān)系，因此高頻功率轉(zhuǎn)換需要特別注意封裝和布局。

RG(on)≥√4×(LG(on)+LCS)CGS(on)??(??)≥4×(??(??)+???)???(??)（4） 臨界阻尼所需的阻力

考慮一個(gè)集成電路，其中功率晶體管與柵極驅(qū)動(dòng)器集成在一起。這種集成消除了導(dǎo)通（圖2 （c）和關(guān)斷（圖2 （d）柵極驅(qū)動(dòng)路徑中的所有外部共源電感，由IC設(shè)計(jì)人員來(lái)最小化內(nèi)部共源電感。仔細(xì)放置VDD和VSS端子有助于系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員最大限度地降低走線(xiàn)電感，使電容器等效串聯(lián)電感（ESL）以及VDD和VSS焊料凸塊成為導(dǎo)通柵極驅(qū)動(dòng)環(huán)路電感的唯一重要來(lái)源。對(duì)于關(guān)斷柵極驅(qū)動(dòng)環(huán)路，所有電感都將包含在IC內(nèi)，使其達(dá)到絕對(duì)最小值。

除了減少柵極環(huán)路和共源電感外，將柵極驅(qū)動(dòng)器與功率晶體管集成還提供了將柵極驅(qū)動(dòng)器與功率晶體管匹配以獲得最佳驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度的機(jī)會(huì)。例如EPC21601（單端40 V）、EPC21603（LVDS 40 V）和EPC21701（單端100 V）。

圖3.

EPC23102的功能框圖。圖片由 Bodo 的動(dòng)力系統(tǒng)提供

這些GaN IC設(shè)計(jì)用于需要在大于15 MHz時(shí)切換100 A的間接飛行時(shí)間。

氮化鎵集成中的增強(qiáng)功能

GaN集成中增強(qiáng)功能的示例包括EPC的ePower級(jí)IC，例如EPC23102[6]。這些IC配置為半橋，集成了全功能柵極驅(qū)動(dòng)器，包括電平轉(zhuǎn)換器、上電復(fù)位、交越保護(hù)和延遲匹配。ePower級(jí)IC的功能框圖如圖3所示。這些 IC 設(shè)計(jì)用于各種應(yīng)用，從頻率在 10s 到 100s kHz 之間的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器到高達(dá) 3 MHz 的高頻 DC-DC 轉(zhuǎn)換器。在這個(gè)頻率范圍內(nèi)，開(kāi)關(guān)速度必須能夠在不影響內(nèi)核柵極驅(qū)動(dòng)性能的情況下得到控制。

GaN集成的主要優(yōu)勢(shì)之一是N溝道FET用于柵極驅(qū)動(dòng)器的輸出級(jí)。使用 N 溝道 FET 驅(qū)動(dòng)功率 FET 的導(dǎo)通，允許電阻控制導(dǎo)通，以控制開(kāi)關(guān)壓擺率，從而控制過(guò)沖和振鈴。這是控制EMI的一個(gè)重要因素，可以在不影響柵極驅(qū)動(dòng)器的其他特性的情況下實(shí)現(xiàn)。帶有柵極驅(qū)動(dòng)器的集成功率FET的功能框圖如圖4 （a）所示。

圖片由 Bodo 的動(dòng)力系統(tǒng)提供

b.

圖4.

（a） GaN集成功率級(jí)的功能框圖，（b）9177 V輸入時(shí)EPC48開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)開(kāi)啟，R時(shí)10 A輸出上= 2.2 ?.圖片由

Bodo 的動(dòng)力系統(tǒng)提供

EPC9177 [7] 是一款使用EPC23102的開(kāi)環(huán)半橋開(kāi)發(fā)板。R 為 2.2 Ω上，在48 V、10 A時(shí)，導(dǎo)通開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)波形得到很好的控制，如圖4（b）所示。減少開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)振鈴對(duì)于控制EMI至關(guān)重要。

氮化鎵集成結(jié)論

GaN集成為許多高頻應(yīng)用提供了許多系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)。集成降低了柵極驅(qū)動(dòng)電感和共源電感，從而提供了快速的電流換向速度。它允許調(diào)諧換向，以減少開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)中的過(guò)沖和振鈴，這對(duì)于EMI控制至關(guān)重要。它通過(guò)減小元件尺寸和提高頻率來(lái)減小系統(tǒng)尺寸和成本。GaN集成減少了元件數(shù)量，降低了系統(tǒng)成本和尺寸，同時(shí)降低了供應(yīng)鏈成本。GaN集成才剛剛開(kāi)始，其收益肯定會(huì)隨著時(shí)間的推移而增加。

引用

[1] Lidow，Alex，de Rooij，Michael，Strydon，Johan，Reusch，David和Glaser，John，GaN晶體管用于高效功率轉(zhuǎn)換，第三版，John Wiley & Sons Ltd，2020年，第2-5頁(yè)。

[2] Lidow，Alex，GaN 功率器件和應(yīng)用，第 1 章，高效功率轉(zhuǎn)換公司，2022 年，第 16 頁(yè)。

[3] Lidow， Alex and Strydom， Johan， eGaN FET Drivers and Layout Considers， 2016.

[4] Lidow，Alex，de Rooij，Michael，Strydon，Johan，Reusch，David和Glaser，John，GaN晶體管用于高效功率轉(zhuǎn)換，第三版，John Wiley & Sons Ltd，2020年，第41 - 54頁(yè)。

[5] EPC2088數(shù)據(jù)表 - 2022 年。

[6] EPC23102數(shù)據(jù)表 -2023 年。

[7] EPC9177開(kāi)發(fā)板快速入門(mén)指南 - 2023.

審核編輯 黃宇