氮化鎵集成方案如何提高功率密度

　　氮化鎵(GaN)是電力電子行業(yè)的熱門(mén)話(huà)題，因為它可以使得80Plus鈦電源、3.8 kW/L電動(dòng)汽車(chē)(EV)車(chē)載充電器和電動(dòng)汽車(chē)(EV)充電站等設計得以實(shí)施。在許多具體應用中，由于GaN能夠驅動(dòng)更高的功率密度和具有更高的效率，因此它取代了傳統的MOSFET晶體管。但由于GaN的電氣特性和它所能實(shí)現的性能，使得使用GaN元件進(jìn)行設計時(shí)，要面臨與硅元件截然不同的一系列挑戰。

　　GaN場(chǎng)效應晶體管包括耗盡型（d-mode）、增強型（e-mode）、共源共柵型(cascode）等三種類(lèi)型，并且每種都具有各自的柵極驅動(dòng)和系統要求。

GaN FET的內部結構

　　每種GaN電源開(kāi)關(guān)都需要適當的柵極驅動(dòng)，否則在測試時(shí)就可能發(fā)生事故。GaN器件具有極度敏感的柵極，因為它們不是傳統意義上的MOSFET，而是高電子遷移率晶體管(HEMTs)。高電子遷移率晶體管的截面如圖1所示，類(lèi)似于MOSFET。GaN FET的電流不會(huì )流過(guò)整個(gè)襯底或緩沖層，而是流過(guò)一個(gè)二維的電子氣層。

圖1.GaN FET橫向結構截面圖

　　不當的柵極控制可能會(huì )導致GaN FET的絕緣層、勢壘或其他的結構性部分被擊穿。這不僅會(huì )造成GaN FET在對應系統條件下無(wú)法工作，還會(huì )對器件本身造成永久性損壞。這種靈敏度水平就需要用戶(hù)認真考察不同類(lèi)型GaN器件的特性及其廣泛需求。HEMT也不具有傳統摻雜的FET結構，該結構會(huì )形成PN結，進(jìn)而產(chǎn)生體二極管。這也意味著(zhù)沒(méi)有內部二極管會(huì )在運行過(guò)程中被擊穿或產(chǎn)生如反向恢復等的不必要的過(guò)程。

柵極驅動(dòng)和偏置電源

　　增強型GaN FET在外觀(guān)上與增強型硅FET極為類(lèi)似。在柵極閾值電壓為6V的大多數工作條件下，1.5 V至1.8 V的正電壓為開(kāi)啟電壓。但是大多增強型GaN器件的最大柵極閾值電壓為7V，一旦超過(guò)就會(huì )造成永久性傷害。

　　傳統的硅柵極驅動(dòng)器可能無(wú)法提供適當的電壓穩定度或無(wú)法解決高共模瞬態(tài)抗擾度問(wèn)題，因此許多設計人員選擇了諸如專(zhuān)為GaN FET設計的LMG1210-Q1的柵極驅動(dòng)器。無(wú)論電源電壓如何，LMG1210-Q1只提供5V的柵極驅動(dòng)電壓。傳統的柵極驅動(dòng)器需要對柵極偏置電源進(jìn)行非常嚴格的控制才能不會(huì )在GaN FET的柵極產(chǎn)生過(guò)壓。相比于增強型GaN FET，共源共柵型GaN FET則是一種在易用上的折衷方案，結構如圖2所示。

圖2.增強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(zhù)該器件在通常情況下導通，關(guān)閉時(shí)需要在柵極施加一個(gè)負的閾值電壓。這對于電源開(kāi)關(guān)來(lái)說(shuō)是一個(gè)很大的問(wèn)題，為此許多制造商在GaN FET封裝中串接一個(gè)MOSFET。GaN FET的柵極與硅FET的源極相連，在硅FET的柵極施加開(kāi)啟與關(guān)閉柵極脈沖。

　　封裝內串接硅FET的優(yōu)勢在于使用傳統的隔離式柵極驅動(dòng)器（如UCC5350-Q1）驅動(dòng)硅FET可以解決許多柵極驅動(dòng)和電源偏置問(wèn)題。共源共柵型GaN FET的最大缺點(diǎn)是FET的輸出電容較高，并且由于體二極管的存在，易受反向恢復的影響。硅FET的輸出電容在GaN FET的基礎上增加了20%，這意味著(zhù)與其他GaN解決方案相比，開(kāi)關(guān)損耗增加了20%以上。而在反向導通過(guò)程中，硅場(chǎng)效應管的體二極管會(huì )導通電流，并在電壓極性翻轉時(shí)進(jìn)行反向恢復。

　　硅FET的輸出電容在GaN FET原有的基礎上增加了20%，這意味著(zhù)與其他GaN解決方案相比，開(kāi)關(guān)損耗增加了20%以上。此外在反向導通過(guò)程中，硅FET的體二極管會(huì )導通電流，并在電壓極性翻轉時(shí)進(jìn)行反向恢復。

　　為防止硅FET的雪崩擊穿，共源共柵型GaN FET需以70V/ns的轉換速率工作，這也增加了開(kāi)關(guān)交疊損耗。盡管共源共柵型GaN FET可以簡(jiǎn)化設計流程，但也限制了設計的可實(shí)現性。

通過(guò)集成可以得到更簡(jiǎn)單的解決方案

　　將耗盡型GaN FET與柵極驅動(dòng)器和內置偏置電源控制進(jìn)行整合，可以解決增強型和共源共柵型GaN FET在設計上許多問(wèn)題。例如，LMG3522R030-Q1是一款650V 30mΩ的GaN器件，集成了柵極驅動(dòng)器和電源管理功能，可實(shí)現更高的功率密度和效率，同時(shí)降低相關(guān)風(fēng)險和工程工作量。耗盡型GaN FET需要在封裝內串接硅FET，但與共源共柵型GaN FET的最大區別在于所集成的柵極驅動(dòng)器可以直接驅動(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(kāi)關(guān)。這種直接驅動(dòng)可以解決共源共柵型GaN FET的主要問(wèn)題，例如更高的輸出電容，反向恢復敏感性和串聯(lián)硅FET的雪崩擊穿。LMG3522R030-Q1中集成的柵極驅動(dòng)器可實(shí)現很低的開(kāi)關(guān)交疊損耗，使GaN FET能夠在高達2.2 MHz的開(kāi)關(guān)頻率下工作，并消除使用錯誤柵極驅動(dòng)器的風(fēng)險。圖3顯示了使用集成了LMG3522R030-Q1的GaN FET的半橋設置。

圖3.使用UCC25800-Q1變壓器驅動(dòng)器和兩個(gè)LMG3522R030-Q1 GaN FET的簡(jiǎn)化GaN半橋配置

　　驅動(dòng)器的集成可以縮小方案尺寸，實(shí)現功率密集型系統。集成降壓-升壓轉換器還意味著(zhù)LMG3522R030-Q1可以使用9V至18V非穩壓電源，從而顯著(zhù)降低對偏置電源的要求。為實(shí)現系統解決方案的緊湊性且經(jīng)濟性，可以將LMG3522R030-Q1與UCC25800-Q1等超低電磁干擾變壓器驅動(dòng)器配合使用，可通過(guò)多個(gè)二次繞組實(shí)現開(kāi)環(huán)的電感-電感-電容控制。使用高度集成的緊湊型偏置電源（如UCC14240-Q1 DC/DC模塊）也可實(shí)現印制電路板內的超薄設計。

總結

　　結合適合柵極驅動(dòng)器和偏執電源，GaN器件可以獲得150V/ns的開(kāi)關(guān)速度，極小的開(kāi)關(guān)損耗和更小的高功率系統磁性尺寸。集成化的GaN解決方案可以解決很多器件級的問(wèn)題，從而使用戶(hù)可以專(zhuān)注于更廣泛的系統級的考量。