使用集成式 eGaN 功率级构建高能量密度电源

高能量密度开关模式电源 (SMPS) 可加快电池充电速度，减小太阳能微型逆变器的尺寸，并满足服务器农场电源要求，绝对不会出现过热现象。然而，工程师现在面临硅 MOSFET 和 IGBT 的性能极限，这些器件构成传统 SMPS 的主要开关元件。相反，采用增强型氮化镓 (eGaN)（一种宽带隙半导体）制成的晶体管现可以克服硅器件的开关速度和能效限制。

以前，eGaN 晶体管的成本和可用性使其局限于最为复杂的电源应用，但更广泛的商业化已经解决了这一难题。eGaN 晶体管现已广泛用于各种应用。

本文首先介绍相比基于传统硅 (Si) MOSFET 或 IGBT 的高频电源，基于 eGaN 开关元器件的高频电源优势。接着会介绍如何使用EPC、Texas Instruments和Navitas Semiconductor的 eGaN 功率级来构建适用于电池充电或服务器农场等应用的 SMPS 设计。

高频优势

传统 SMPS 通常采用的开关频率范围为数十至数百千赫兹 (kHz)。基本频率的脉冲宽度调制 (PWM) 的占空比决定了电源的电压输出。

较高开关频率的主要优势在于减小了电感器、变压器和电阻器等外设元器件的尺寸。因而，设计人员就可以在保持同等输出功率的情况下简化设计，从而增加能量密度。此外，SMPS 输出端的电流和电压纹波也会减少，从而降低了电磁干扰 (EMI) 的风险和滤波器电路的成本，并缩小了尺寸。

然而，传统硅功率 MOSFET 和 IGBT 开关速度相对较慢，每次开通闭合时，器件耗散功率相当大。随着频率的提高，功耗会成倍增加，导致能效降低和芯片温度升高。开关速度慢且开关功耗大，给目前的 SMPS 实际开关频率设置了上限。

设计人员可以借助宽带隙半导体来打破这一上限。其中，GaN 是目前用于该应用的最成熟、最便利的技术，而 eGaN 是 GaN 的改良版。

比较硅与 GaN

与硅相比，GaN 具有多种优势，其中几种优势与该材料的电子迁移率较高有关。电子迁移率较高使半导体击穿电压更高（高于 600 伏），“电流密度”（安培/平方厘米(A/cm2)）更大。GaN 的另一个优势在于采用该材料制成的晶体管不会出现反向恢复电荷，而这种现象可能会引起很大的开关过冲电流（瞬时振荡）。

虽然这些特性对于电源设计人员来说很重要，但或许更重要的是，高电子迁移率使 GaN 晶体管的关断时间大约只有硅 MOSFET 的四分之一。此外，在给定开关频率和电流的情况下，每次开通闭合时，GaN 器件的功耗约为硅晶体管的 10% 至 30%。因此，与硅 MOSFET、IGBT 或碳化硅 (SiC) 器件相比，GaN 高电子迁移率晶体管 (HEMT) 的驱动频率更高（图 1）。

图 1：与硅或 SiC 器件相比，GaN HEMT 可实现更高频率开关模式电源。（图片来源：Infineon）

基于两个关键原因，GaN HEMT 的普及速度比较缓慢。首先，这种器件实质上是耗尽型场效应晶体管 (FET)，即“常开”型。相反，硅 MOSFET 是增强型场效应晶体管，即“常闭”型。因此，GaN HEMT 必须额外设计经仔细调校的偏置电路才能正常工作。其次，这种晶体管在制造工艺方面与硅所采用的成熟、大批量技术不同，这使它们更为昂贵。设计复杂且成本过高使 GaN HEMT 应用局限于高端 SMPS。

但最近，eGaN HEMT 已经商业化，不再需要偏置电路。而且，芯片供应商已推出基于 eGaN HEMT 的集成式电源 IC 驱动器，简化了设计。此外，生产水平的提高也降低了 eGaN 器件的成本。

集成式 GaN 解决方案

以前，在使用 eGaN HEMT 的高端 SMPS 设计中，由于价格高昂，设计人员只能将这些器件用作功率晶体管，而栅极驱动器则还是使用硅 MOSFET。虽然与“全硅”设计相比实现了部分性能的提升，但组合设计中的硅元件仍然影响了最大开关频率。此外，由于 GaN 和硅使用的工艺技术不同，栅极驱动器和功率晶体管必须作为单独的元器件制造，因而增加了成本和印刷电路板尺寸。

eGaN 价格降低使芯片制造商能够解决这两个问题。例如，Texas Instruments 在其LMG3411R070的集成栅极驱动中集成了 70 毫欧姆 (mΩ)、600 伏 eGaN 功率级（图 2）。

图 2：Texas Instruments 的 LMG3411R070 在其驱动器中集成了一个 70 mΩ、600 V 的 eGaN 功率级。（图片来源：Texas Instruments）

该芯片的压摆率可达 100 伏/纳秒 (ns) 且瞬时振荡近乎为零（图 3）。相比之下，传统硅功率 MOSFET 的压摆率典型值为 3 至 10 V/ns。

图 3：TI 的 LMG3411R070 集成式 eGaN 功率级表明，相比 MOSFET，eGaN 功率晶体管可以在瞬时振荡最小的情况下实现更高的压摆率。（图片来源：Texas Instruments）

Navitas Semiconductor 制造了类似产品NV6113。该产品在 5 x 6 毫米 (mm) QFN 封装中集成了 300 mΩ、650 V 的 eGaN HEMT、栅极驱动器和相关逻辑电路。NV6113 的压摆率可达 200 V/ns，工作频率高达 2 兆赫兹 (MHz)。

TI 和 Navitas 的 GaN 功率级等器件可并行部署，用于常见的半桥拓扑结构（图 4），同时还有一些产品在同一芯片上集成了两个功率晶体管（及对应的栅极驱动器）。

图 4：如图所示，Navitas 的 NV6113 可并行部署，用于半桥拓扑结构。（图片来源：Navitas Semiconductor）

例如，EPC 最近推出了EPC2115，这款集成驱动器 IC，包含两个 88 mΩ、150 V 的单片式 eGaN 功率晶体管，各配一个优化型栅极驱动器（图 5）。EPC2115 采用低电感 2.9 x 1.1 mm BGA 封装，最高可在 7 MHz 下运行。

图 5：EPC 的 eGaN 集成驱动器 IC 包含两个功率晶体管，各配有相应的优化型栅极驱动器。（图片来源：EPC）

一般情况下，使用 eGaN HEMT 设计电源与使用硅 MOSFET 设计遵循相同的原理，但是工作频率更高会影响外设元器件的选择。

外设元器件的选择

为了说明频率对元器件选择的影响，请考虑为实现简单的 DC-DC SMPS 降低电压（“降压”）拓扑，如何选择输入电容器。

输入电容器可降低输入电压纹波幅度，进而抑制纹波电流，使其达到可由相对便宜的大容量电容器处理的水平，且不会产生过大的功率耗散。若要将大容量电容器的电流保持在可接受限值范围内，根据经验，最好是将峰-峰电压纹波幅度降低到 75 毫伏 (mV) 以下。输入电容器通常是陶瓷器件，因为它们只需极小的等效串联电阻 (ESR) 就能有效降低纹波电压。

若要确定将峰-峰值电压纹波幅度降低到既定幅度所需的陶瓷输入电容器的电容值，可以使用公式 1：

其中：

• CMIN是所需陶瓷输入电容器的最小电容（以微法 (μF) 为单位）
• fSW是开关频率（以 kHz 为单位）
• VP(max)是允许的最大峰-峰纹波电压
• IOUT是稳态输出负载电流
• dc 是占空比（如上所述）
• （引自参考文献 1）

对于高端硅功率级，使用一些工作典型值计算可得出：

• 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

对效率略有提高而其他工作条件类似的 eGaN 功率级（如工作频率为 2 MHz 的 Navitas 器件）重复以上计算可得出：

• 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减小，因而可以使用较小元器件。

尽管 eGaN HEMT 的快速关断通常很有优势，但也带来了一些独特的设计挑战。其中最重要的就是造成过高的压摆率。

控制压摆率

较高的压摆率 (dV/dt) 可能会引起以下问题：

• 增加开关损耗
• 辐射和传导 EMI
• 在与开关节点耦合的电路中，对其他器件造成干扰
• 由于电源回路的电感和其他寄生元件，造成了开关节点的电压过冲和瞬时振荡

这些问题在启动或硬开关条件下最为明显。

使用 Navitas 产品时，一种简单的解决方案是通过在 CVDD电容器与 VDD引脚之间添加电阻器来控制导通时的压摆率（同样见图 4）。该电阻器 (RDD) 的大小决定了集成式栅极驱动器的导通电流和功率 FET 漏极的导通（下降）沿压摆率（图 6）。

图 6：RDD电阻器的大小决定了 NV6113 导通电流和功率 FET 漏极的导通（下降）沿压摆率。（图片来源：Navitas Semiconductor）

只需将电阻器 (RDRV) 连接到功率晶体管源极，LMG3411 也支持压摆率调节（同样见图 2）。选择电阻器可将漏极电压的压摆率控制在大约 25 至 100 V/ns 之间。

压摆率的选择最终是一种权衡。开关速度更快，导致同时（且低效地）产生的大电流持续时间缩短，因此可降低功率损耗，但其他性能指标也随之降低。根据经验，最好是在确保 EMI、过冲和瞬时振荡在规定范围内的前提下，实现最快的开关速度。

第二个设计挑战是因高频工作引起过流事件的风险。

过流保护的重要性

设计具有更高开关频率 SMPS 的关键优势是缩小无源元器件的尺寸，进而增大整体功率密度。但缺点在于在发生过流事件时，高功率密度会增大受损的可能性。过流事件是 SMPS 经常存在的风险。此外，由于电源印刷电路板印制线的外部寄生电感，过高尖峰电流可能导致误触发。

虽然快速过流保护 (OCP) 对于使用传统 MOSFET 的 SMPS 来说很重要，但对于 eGaN HEMT 来说却更为重要，因为：

• 在阻断电压和导通电阻相同的情况下，eGaN HEMT 的尺寸要小得多，因此在过流时就更难散热；
• eGaN HEMT 在线性区域内工作时，就必须检测出过流，否则器件会迅速进入饱和状态，从而导致功率耗散过大和器件受损。

一种传统的 OCP 方法是使用电流互感器、分流电阻器或去饱和检测电路（如下表）。然而，这会增大电源回路的寄生电感和电阻，反而需要降低压摆率，且导致功率耗散升高，从而对系统性能产生不利影响。此外，互感器或分流电阻器等分立器件会增加成本，占用电路板空间。

另一种 OCP 方法是使用电流检测元件、电平位移器（将信号发送给控制器）和检测电路来检测 GaN FET 的漏源电压 (VDS)。这种方法的优势在于不产生寄生电感和电阻，故不会影响电路性能，但精度不佳，主要是因为 GaN 的温度系数较大。

第三种方法是选择集成了 OCP 功能的集成式 eGaN 功率级。这克服了上述两种方法的缺点。TI 的 LMG3411 就是一款具备此功能的产品。若检测到过流，LMG3411 的保护电路可在 100 ns 内关断 eGaN HEMT。若下一个周期时，PWM 输入恢复为低电平，则输出故障信号便会清除。这样，下一个周期时 eGaN HEMT 就能正常导通，从而最大限度地减少输出中断。

OCP 方法 OCP 性能 系统影响 所需元器件 尺寸/成本 分流电阻器 + 低容差电阻器可提供良好的精度 - 电源回路电感值高，功率损耗大 - 检测电阻、检测电路、电平位移器 - 中/中 电流互感器 + 0.1% 线性度 - 电源回路电感值高，占空比高时无保护作用 - 电流互感器、检测电路 - 大/高 VDS 检测 - FET 的工艺变化，RDSON温度系数大 + 无 - 检测电路、电平位移器 - 中/中 集成 OCP + 响应时间小于 100 ns + 无 - 电平位移器 + 无需外部元器件

表：GaN HEMT 功率级的 OCP 方法选择汇总。对于不熟悉该技术的设计人员来说，选择集成 OCP 的功率级是最简单的解决方案。（图片来源：Texas Instruments）

总结

随着太阳能逆变器和服务器农场等应用对高能量密度 SMPS 的需求不断增长，加之每个器件成本的降低，eGaN HEMT 成为更多电源设计的有吸引力选择。虽然使用 eGaN HEMT 进行设计可能非常棘手，但随着集成了栅极驱动器和功率晶体管的 eGaN HEMT 功率级的推出，SMPS 设计人员能更轻松地将该技术融入下一个高功率密度设计之中。