使用集成 GaN 解決方案提高功率密度

氮化鎵 (GaN) 是電力電子行業(yè)的熱門話題，因?yàn)樗梢允沟?80Plus 鈦電源、3.8kW/L 電動(dòng)汽車 (EV) 車載充電器和 EV 充電站等設(shè)計(jì)得以實(shí)現(xiàn)。在許多應(yīng)用中， GaN 能夠提高功率密度和效率，因此它取代了傳統(tǒng)的硅金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管 (MOSFET)。但由于 GaN 的電氣特性和它所能實(shí)現(xiàn)的性能，使用 GaN 進(jìn)行設(shè)計(jì)面臨與硅不同的一系列挑戰(zhàn)。

不同類型的 GaN FET 具有不同的器件結(jié)構(gòu)。GaN FET 包括耗盡型 (d-mode)、增強(qiáng)型 (e-mode)、共源共柵型 (cascode) 等三種類型，每種類型都具有各自的柵極驅(qū)動(dòng)器和系統(tǒng)要求。本文將介紹使用不同類型的 GaN FET 進(jìn)行設(shè)計(jì)來提高系統(tǒng)設(shè)計(jì)的功率密度所需考慮的最重要因素。同時(shí)還將分析集成柵極驅(qū)動(dòng)器和電壓供應(yīng)調(diào)節(jié)等功能可以如何顯著簡化整體設(shè)計(jì)。

GaN FET 剖析
每種 GaN 電源開關(guān)都需要配備合適的柵極驅(qū)動(dòng)器，否則在工作臺(tái)測(cè)試時(shí)可能發(fā)生事故。GaN 器件具有超級(jí)敏感的柵極，因?yàn)樗鼈儾皇莻鹘y(tǒng)意義上的 MOSFET，而是高電子遷移率晶體管 (HEMT)。HEMT 的截面如圖 1 所示，類似于 MOSFET，但電流不會(huì)流過整個(gè)襯底或緩沖層，而是流過一個(gè)二維的電子氣層。

圖 1：GaN FET 橫向結(jié)構(gòu)截面圖

不當(dāng)?shù)臇艠O控制可能會(huì)導(dǎo)致 GaN FET 的絕緣層、勢(shì)壘或其他結(jié)構(gòu)性部分被擊穿。這不僅會(huì)造成 GaN FET 在對(duì)應(yīng)系統(tǒng)條件下無法工作，還可能會(huì)對(duì)器件本身造成永久性損壞。這種敏感度取決于不同類型的 GaN 器件及其廣泛需求。HEMT 也不具有傳統(tǒng)摻雜的 FET 結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)會(huì)形成 PN 結(jié)，進(jìn)而產(chǎn)生體二極管。這意味著內(nèi)部二極管不會(huì)在運(yùn)行過程中被擊穿或產(chǎn)生反向恢復(fù)等不必要行為。

柵極驅(qū)動(dòng)器和偏置電源注意事項(xiàng)
增強(qiáng)型 GaN FET 在外觀上與增強(qiáng)型硅 FET 非常類似，這點(diǎn)您可能已經(jīng)有所體會(huì)。在柵極閾值電壓為 6V 的工作條件下，1.5V 至 1.8V 的正電壓為 FET 開啟電壓。但是大多增強(qiáng)型 GaN 器件的最大柵極閾值電壓為 7V，一旦超過很可能會(huì)造成永久性損壞。

由于傳統(tǒng)的硅柵極驅(qū)動(dòng)器在基于 GaN 的設(shè)計(jì)中可能無法提供適當(dāng)?shù)碾妷赫{(diào)節(jié)功能或無法解決高共模瞬態(tài)抗擾度問題，許多設(shè)計(jì)人員會(huì)選擇TI 專為 GaN FET 設(shè)計(jì)的 LMG1210-Q1 等柵極驅(qū)動(dòng)器。無論電源電壓如何，該器件都可提供 5V 的柵極驅(qū)動(dòng)電壓。傳統(tǒng)的柵極驅(qū)動(dòng)器需要非常嚴(yán)格地調(diào)節(jié)柵極驅(qū)動(dòng)器的偏置電源，以防GaN FET 過載。相比于增強(qiáng)型 GaN FET，共源共柵型 GaN FET 是一種犧牲易用性的折衷方案，結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。

圖 2：增強(qiáng)型與共源共柵耗盡型 GaN FET 示意圖

GaN FET 是一種耗盡型器件，意味著該器件在通常情況下導(dǎo)通、關(guān)斷時(shí)需要在柵極施加負(fù)的閾值電壓。這對(duì)于電源開關(guān)來說是一個(gè)很大的問題，為此大多數(shù)制造商在 GaN FET 封裝中串接了一個(gè) 30V 硅 FET。GaN FET 的柵極與硅 FET 的源極相連，在硅 FET 的柵極施加開啟與關(guān)閉柵極脈沖。

封裝內(nèi)串接硅 FET 的主要優(yōu)勢(shì)在于，使用傳統(tǒng)的隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器（如 UCC5350-Q1）驅(qū)動(dòng)硅 FET 可以解決許多柵極驅(qū)動(dòng)器和偏置電源問題。共源共柵型 GaN FET 的主要缺點(diǎn)是 FET 的輸出電容較高，并且由于體二極管的存在，易受反向恢復(fù)的影響。硅 FET 的輸出電容加上 GaN FET 的輸出電容，使 FET 的輸出電容增加了 20%，這意味著與其他 GaN 解決方案相比，開關(guān)損耗增加了 20% 以上。此外，在反向?qū)ㄟ^程中，硅 FET 的體二極管會(huì)導(dǎo)通電流，并在電壓極性翻轉(zhuǎn)時(shí)進(jìn)行反向恢復(fù)。

為防止硅 FET 的雪崩擊穿，共源共柵型 GaN FET 需以 70V/ns（其他 GaN 解決方案為 150V/ns）的壓擺率工作，這增加了開關(guān)交疊損耗。盡管共源共柵型 GaN FET 可以簡化設(shè)計(jì)，但會(huì)限制可實(shí)現(xiàn)的性能。

通過集成實(shí)現(xiàn)更簡單的解決方案
將柵極驅(qū)動(dòng)器和內(nèi)置偏置電源調(diào)節(jié)與耗盡型 GaN FET 進(jìn)行集成，可以解決增強(qiáng)型和共源共柵型 GaN FET 設(shè)計(jì)上的許多難題。例如，LMG3522R030-Q1 是一款 650V 30mΩ 的 GaN 器件，集成了柵極驅(qū)動(dòng)器和電源管理功能，可實(shí)現(xiàn)更高的功率密度和效率，同時(shí)降低相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)和工程工作量。耗盡型 GaN FET 需要在封裝內(nèi)串接硅 FET。但與共源共柵型 GaN FET 的主要區(qū)別在于，所集成的柵極驅(qū)動(dòng)器可以直接驅(qū)動(dòng) GaN FET 的柵極，而硅 FET 則在上電時(shí)保持常閉狀態(tài)啟動(dòng)開關(guān)。這種直接驅(qū)動(dòng)可以解決共源共柵型 GaN FET 的主要問題，例如較高的輸出電容、反向恢復(fù)敏感性和串聯(lián)硅 FET 的雪崩擊穿。LMG3522R030-Q1 中集成的柵極驅(qū)動(dòng)器可實(shí)現(xiàn)較低的開關(guān)交疊損耗，使 GaN FET 能夠在高達(dá) 2.2MHz 的開關(guān)頻率下工作，并消除 GaN FET 使用錯(cuò)誤柵極驅(qū)動(dòng)器的風(fēng)險(xiǎn)。圖 3 展示了使用了集成 LMG3522R030-Q1 GaN FET 的半橋配置。

圖 3：使用 UCC25800-Q1 變壓器驅(qū)動(dòng)器和兩個(gè) LMG3522R030-Q1 GaN FET 的簡化 GaN 半橋配置

集成驅(qū)動(dòng)器可減小解決方案尺寸，實(shí)現(xiàn)功率密集型系統(tǒng)。同時(shí)，集成降壓/升壓轉(zhuǎn)換器意味著 LMG3522R030-Q1 可在 9V 至 18V 的非穩(wěn)壓電源下工作，從而顯著降低對(duì)偏置電源的要求。為實(shí)現(xiàn)緊湊且經(jīng)濟(jì)的系統(tǒng)解決方案，可以將 LMG3522R030-Q1 與 UCC25800-Q1 等超低電磁干擾變壓器驅(qū)動(dòng)器配合使用，通過多個(gè)二次繞組實(shí)現(xiàn)開環(huán)的電感-電感-電容控制?；蛘?，使用高度集成的緊湊型偏置電源（如 UCC14240-Q1 直流/直流模塊），可為器件進(jìn)行本地供電，從而實(shí)現(xiàn)基于小尺寸印刷電路板的超薄設(shè)計(jì)。

結(jié)語
通過使用合適的柵極驅(qū)動(dòng)器和偏置電源，GaN 器件可幫助您實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)優(yōu)勢(shì)，如 150V/ns 的開關(guān)速度、較低的開關(guān)損耗以及較小的高功率系統(tǒng)磁性尺寸，適用于工業(yè)和汽車應(yīng)用。集成 GaN 解決方案可以簡化許多器件級(jí)挑戰(zhàn)，從而使您可以專注于更廣泛的系統(tǒng)。

關(guān)于德州儀器 (TI)
德州儀器 (TI) (納斯達(dá)克股票代碼：TXN) 是一家全球性的半導(dǎo)體公司，致力于設(shè)計(jì)、制造、測(cè)試和銷售模擬和嵌入式處理芯片，用于工業(yè)、汽車、個(gè)人電子產(chǎn)品、通信設(shè)備和企業(yè)系統(tǒng)等市場。我們致力于通過半導(dǎo)體技術(shù)讓電子產(chǎn)品更經(jīng)濟(jì)實(shí)用，創(chuàng)造一個(gè)更美好的世界。如今，每一代創(chuàng)新都建立在上一代創(chuàng)新的基礎(chǔ)之上，使我們的技術(shù)變得更小巧、更快速、更可靠、更實(shí)惠，從而實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體在電子產(chǎn)品領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，這就是工程的進(jìn)步。這正是我們數(shù)十年來乃至現(xiàn)在一直在做的事。

審核編輯 黃宇