如何实现下一代工业电源设计？

氮化镓(GaN)半导体的物理特性与硅器件不相上下。传统的电源供应器金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)和绝缘栅极双极晶体管(IGBT)只有在牺牲效率、外形尺寸和散热的前提下才能提高功率密度。

使用GaN则可以更快地处理电源电子器件并更有效地为越来越多的高压应用提供功率。GaN更优的开关能力意味着它可以用更少的器件更有效地转换更高水平的功率，如图1所示。GaN半导体能够在交流/直流供电应用，实现新型电源和转换系统。（例如，5G通信电源整流器和服务器计算）GaN不断突破新应用的界限，并开始取代汽车、工业和可再生能源市场中传统硅基电源解决方案。

图1：硅设计与GaN设计的磁性元件功率密度对比

GaN FET：新的集成系统

大型数据中心、企业服务器和通信交换中心会消耗大量电能。在这些电源系统中，FET通常与栅极驱动器分开封装，因为它们使用不同的工艺技术，并且最终会产生额外的寄生电感。

除了导致较大的形状尺寸外，这还可能限制GaN在高压摆率下的开关性能。另一方面，具有集成式栅极驱动器的TI GaN FET（例如LMG3425R030）凭借150V/ns的压摆率可更大程度降低寄生电感，与分立式GaN相比，其损耗降低了66%，并更大程度地降低了电磁干扰。图2显示了具有集成式栅极驱动器的TI GaN FET。

图2：具有栅极驱动器和短路保护功能的600V

GaN FET的集成

在数据中心和服务器场中，TI的新型GaN FET使得拓扑结构更简单（例如图腾柱功率因数校正），从而降低了转换损耗，简化了散热设计并缩小了散热器的尺寸。与相同尺寸的1U机架式服务器中的硅MOSFET相比，这些器件可实现两倍的功率密度和99%的效率。在考虑长期影响时，这种功率密度和效率节省变得尤为重要。例如，假设一个服务器场通过安装GaN器件每月提高3%的交流/直流效率。如果该服务器场每天转换30kW的功率，那么他们每月将节省超过27kW，约为每月2,000美元，每年24,000美元。

当GaN FET与限流和过热检测功能集成时，它可以防止击穿和热失控事件。此外，系统接口信号可实现自我监测功能。

可靠性是电源电子器件中的关键因素。因此，与传统的级联以及独立GaN FET相比，高度集成的GaN器件可以通过集成功能和保护功能来更有效地提高可靠性并优化高压电源的性能。

使用外部驱动器，寄生电感会导致开关损耗以及高GaN频率下的振铃和可靠性问题。共源电感大大增加了导通损耗。同样，在高压摆率下设计稳健过流保护电路既困难又昂贵。但是，由于GaN本身缺乏体二极管，因此可减少开关节点上的振铃，并消除任何反向恢复损耗。

具有保护功能的GaN器件

GaN器件的结构与硅器件截然不同。尽管它们可以更迅捷地开关，但是从性能和可靠性的角度来看，仍然面临独特的难题。使用分立式GaN器件时，还存在设计简便性和物料清单成本之类的问题。

全新的工业600V GaN器件系列在30-50mΩ功率级集成了GaN FET、驱动器和保护功能，可为100-10kW的应用提供单芯片解决方案。LMG3422R030、LMG3425R030、LMG3422R050和LMG3425R050GaN器件面向高功率密度和高效率应用。

与硅MOSFET不同，GaN可以“类二极管”的方式在第三象限导通，并通过减小电压降尽可能减少死区时间。TI在LMG3425R030和LMG3425R050中的理想二极管模式进一步降低了供电应用中的损耗。

这些GaN器件已通过了4,000万小时的器件可靠性测试，包括加速开关测试和应用内硬开关测试。这些可靠性测试均在最大功率、电压和温度环境下的高度加速开关条件下进行。

结论

开关电源的设计人员一直在努力提高功率密度和效率。硅MOSFET和IGBT的功率密度和效率较低，碳化硅(SiC)器件的功率密度和效率更高，但成本也更高。

GaN器件使解决方案能够获得优质超结FET两倍的功率密度。同样，它们促进了80Plus Titanium等标准认证，这些标准要求服务器和通信应用具有非常高的电源效率。

尽管GaN是电源电子器件领域的一项革命性技术，但仍需要仔细的工艺和材料工程。这要求构建高质量GaN晶体，优化电介质膜并在制造工艺中确保非常干净的界面。除此之外，必须进行熟练的测试和封装。

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