采用氮化镓FET的下一代工业电源

德州仪器 (TI ) 推出了适用于汽车和工业应用的下一代 650 和 600V 氮化镓 (GaN) 场效应晶体管 (FET)。新的GaN FET系列通过使用 GaN-on-Si 技术和集成的快速开关 2.2-MHz 栅极驱动器，根据数据表规格实现了 99% 的效率

电动汽车的日益普及正在改变行业，对紧凑轻巧的电源管理解决方案的强烈需求同时又不影响车辆性能。同时，设计更高效、更具成本效益的工业解决方案将减少排放，为更清洁的环境做出贡献。

在接受 Power/EE Times 采访时，德州仪器 (TI) 负责高压电源的副总裁 Steve Lambouses 和 GaN 产品线经理 Steve Tom 强调了使用新型 GaN FET 如何减小工业电源管理解决方案的尺寸环境，尤其是电动汽车 (EV) 中的充电器和 DC/DC 转换器，它们将有助于延长电池寿命。

电力行业趋势

世界对更多能源的需求将继续增长，而产生更多电力的能力将更加有限。德州仪器强调半导体创新将弥合差距，使世界能够以更少的功率做更多的事情。“我们可以看到该行业的 5 个趋势，”Lambouses 说。他补充说：“功率密度，增加功率密度可以在降低系统成本的情况下实现更多系统功能。低 EMI，最大限度地减少对其他系统组件的干扰，并简化工程师的设计和认证流程。”

Tom 补充说：“其他主题包括延长电池寿命的低 Iq、提高精密模拟应用可靠性的低噪声和精度，以及在高压和安全关键应用中实现最高工作电压和最高可靠性的隔离。”

双极晶体管和 FET 晶体管很难满足高功率需求。只有在牺牲效率、外形尺寸和散热的情况下，它们才能提高功率密度——低效的开关会导致严重的汽车损耗。采用宽带隙材料的快速开关技术带来的好处包括减小系统尺寸和成本，以及提高效率。“所以为了优化效率，我们通过集成来提高开关频率，我们可以做到这一点，因为封装电感很小，”汤姆说。

GaN 是一种用途极为广泛的半导体材料，可以在高温和高压下工作——有助于有效满足各种通信和工业设计的要求。电动汽车领域的挑战之一是快速高效的充电。GaN 技术可以提供快速充电，从而更有效地使用能源。

在电动汽车中，高效的能源管理涉及电池及其充电、电池本身的安全性以及产品的成本效益。锂离子电池可能占到汽车成本的 30%，“基于 GaN 的解决方案可以将损耗降低 40% 以上，”Lambouses 说。由于 GaN 的开关能力更强，它可以用更少的组件更有效地转换更高的功率电平，如下图 1 所示。

图 1：比较硅设计与 GaN 设计的磁性功率密度（来源：德州仪器）

氮化镓场效应管解决方案

在大规模电源系统中，由于工艺技术不同，“标准”FET 与其栅极驱动器分开使用。这会产生额外的寄生电感，限制 GaN 的开关性能。共源电感显着增加了开关损耗。

TI 新的工业 600 和 650-V（后者用于汽车）GaN 器件系列在 30 和 50-mΩ 功率级集成了 GaN FET、驱动器和保护功能，为低于 100 W 到 22 千瓦。

“具有集成栅极驱动器的 GaN FET，例如 LMG3425R030，可以在 150 V/ns 的压摆率下最大限度地减少寄生电感，同时提供比分立 GaN FET 低 66% 的三象限损耗和更高的 EMI 衰减，”Tom 说.

图 2：600V GaN FET 与栅极驱动器和短路保护的集成（来源：德州仪器）

在考虑长期影响时，正如 TI 所强调的那样，这种实施与效率特别相关。新型氮化镓 FET 可降低转换损耗并简化热控制设计。

“过流和过热保护功能的集成通过提供自我监控来保护系统免受常见电源故障情况的影响，”Lambouses 说。

高度集成的氮化镓器件通过集成功能和保护特性，可以更有效地提高可靠性并优化高压电源的性能。与硅 MOSFET 不同，GaN 在第三象限中以“类二极管”模式导电，并通过降低电压降来最大限度地减少死区时间。TI 在 LMG3425R030 和 LMG3425R050 中的理想二极管模式进一步最大限度地减少了供电应用中的损耗。

“这些解决方案的主要优势可以概括为以下几点：在 1U 机架式服务器中，它可实现两倍的功率输出，与硅 MOSFET 相比功率密度增加一倍；在 AC/DC 供电应用中效率高达 99%；用于电源单元 (PSU) 的集成式高速保护和数字温度，”Tom 说。

死区时间损耗与器件的反向导通电压有关。对于 Si MOSFET，该电压由其体二极管的特性决定。对于 GaN，反向导通电压取决于第三象限特性（图 3 和 4）。

图 3：GaN FET 横向结构的横截面（来源：德州仪器）

图 4：GaN 在第一和第三象限中的简化行为（来源：德州仪器）

LMG3522R030-Q1 和 LMG3525R030-Q1 650-V 是该系列的汽车级。“它们通过 2.2 MHz 集成栅极驱动器减小了车载电动汽车 (EV) 的尺寸，”汤姆说。

所有版本都具有可在各种应用中快速实施的电路板。它们配置为具有插座式外部连接，以便与外部功率级轻松连接。

结论

开关电源设计人员不断寻求在提高效率的同时增加功率密度。GaN 器件使解决方案具有比超级结 FET 更高的功率密度。但同时，它们还需要仔细的电路、工艺和材料工程：即高质量 GaN 晶体生长、介电优化和测试优化，通过新的 JEDEC JC-70 指南进行氮化镓功率转换的开关可靠性评估程序设备。

审核编辑：郭婷