具有集成驱动器和自我保护功能的GaN FET如何实现下一代工业电源设计

德州仪器(TI)推出了一种新的集成氮化镓(GaN)功率级产品家族，该家族采用了一种低成本紧凑的四方扁平无引线(OFN)封装，封装尺寸为12毫米x12毫米。这种扩大的QFN封装可以显著受益于GaN的快速转换率和高开关频率能力，并通过较大的暴露热垫提高其热性能，显示出比其他流行的表面贴装封装(如广泛用于分立功率器件的TO Lead-Less和D2PAK)更好的散热能力。凭借适当的热设计，TI以QFN 12x12格式封装的新型LMG342xGaN功率级产品能够完全满足高功率(>3 kw)转换应用的需求。
*附件：具有集成驱动器和自我保护功能的 GaN FET 将如何实现下一个基因.pdf

1. 引言

• ‌背景‌：随着物理极限的逼近，传统硅基功率器件（如MOSFET和IGBT）在提升功率密度时面临效率、尺寸和散热的挑战。
• ‌GaN优势‌：GaN半导体具有更快的开关速度和更高的效率，适用于高压应用，正逐步替代传统硅基功率解决方案。
  

2. GaN FET的新集成方式

• ‌传统问题‌：在大型数据中心、企业服务器和电信交换中心等电力系统中，FET通常与其栅极驱动器分开包装，导致额外的寄生电感和高频下的性能限制。
• ‌集成优势‌：TI的GaN FET（如LMG3425R030）集成了栅极驱动器，最小化寄生电感，提供高达150 V/ns的上升率，降低损耗并减少电磁干扰。

3. 提升功率密度和效率

• ‌拓扑简化‌：集成GaN FET使拓扑结构更简单，如图腾柱功率因数校正，降低转换损耗，简化热设计并减小散热器尺寸。
• ‌效率与成本节约‌：在相同尺寸的1U机架服务器中，GaN器件实现的功率密度是硅MOSFET的两倍，同时达到99%的效率。对于每天转换30 kW电力的服务器农场，每月可节省超过27 kW的电力，相当于每月节省约2,000美元，每年节省约24,000美元。

4. 可靠性与保护功能

• ‌保护特性‌：集成电流限制和过温检测功能，防止击穿和热失控事件，系统接口信号实现自监控能力。
• ‌可靠性测试‌：这些GaN器件经过了4000万小时的设备可靠性测试，包括加速和在应用中的硬开关测试，确保了高可靠性。

5. 应用范围与市场前景

• ‌目标应用‌：LMG3422R030、LMG3425R030、LMG3422R050和LMG3425R050 GaN器件针对高功率密度和高效率应用，适用于从低于100W到10kW的广泛范围。
• ‌市场前景‌：GaN技术正推动电源电子产品的变革，特别是在需要高效率和功率密度的应用中，如5G电信整流器、服务器计算和汽车、工业和可再生能源市场。

6. 结论

• ‌技术优势‌：GaN器件在功率密度和效率方面远超硅基器件，同时满足80 Plus Titanium等高标准要求。
• ‌工程挑战‌：GaN技术的广泛应用需要高质量的晶体生长、优化的介质薄膜和非常干净的制造工艺接口，以及精湛的测试和封装技术。