使用GaN实现高功率密度和高效系统

氮化镓是电力电子行业的热门话题，因为它可以为电信电源等应用提供高效设计；电动汽车充电；加热，通风和空调; 电器；和消费电源适配器。在工业应用中，氮化镓取代了传统的硅金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET)，因为它能够驱动更高的功率密度和高达 99% 的图腾柱功率因数校正 (PFC) 效率。但由于其电气特性和它所支持的性能，使用 GaN 进行设计面临着与硅甚至其他宽带隙技术（如碳化硅）不同的一系列挑战。

GaN 与 SiC

虽然 GaN 和 SiC 所服务的功率水平存在一些重叠，但氮化镓具有使其更适合对高功率密度至关重要的应用的基本特性。在这些应用中，氮化镓器件可以在 PFC 拓扑中实现 >150 kHz 的开关频率，在 DC/DC 电源转换器中实现 >1 MHz 的开关频率，从而显着减小系统中的磁体尺寸。通过实现比 SiC 更高的开关速度，GaN 技术可帮助您以更低的成本实现更高的功率密度。下面的图 1 显示了不同技术基于其功率和工作频率能力的比较。

图 1：根据功率和工作频率能力比较不同技术

将 GaN FET 用于工业应用

每个氮化镓电源开关都必须与适当的栅极驱动器配对；否则，在台上测试时，您可能会遇到冒烟和冒烟！氮化镓器件可以具有独特敏感的栅极，因为它们不是经典的 MOSFET，而是高电子迁移率晶体管 (HEMT)。如图 2 所示，HEMT 的横截面看起来类似于 MOSFET。但是电流不是流过整个衬底或缓冲层，而是流过二维电子气层。

图 2：GaN FET 横向结构的横截面

GaN FET的栅极控制不正确会导致绝缘层、势垒g或其他结构元件的击穿；该设备不仅会在该系统条件下发生故障，而且还可能永久损坏。这种灵敏度水平需要审查不同类型的氮化镓设备及其广泛的需求。HEMT 也没有形成 pn 结的传统掺杂 FET 结构，这会导致体二极管。这意味着没有内部二极管会在运行过程中击穿或导致不良行为，例如反向恢复。

栅极驱动器和偏置电源注意事项

增强型 (e-mode) GaN FET 看起来与您可能已经熟悉的 e-mode 硅 FET 非常相似。1.5 V 至 1.8 V 的正电压将开始开启 FET，大多数工作条件指定为 6 V 栅极阈值工作。然而，大多数 e-mode GaN 器件的最大栅极阈值为 7 V，违反该阈值可能会导致永久性损坏。

如果传统硅栅极驱动器不能提供适当的电压调节或无法处理基于 GaN 的设计中的高共模瞬态抗扰度，许多设计人员会选择专门为使用而设计的栅极驱动器，例如德州仪器 (TI) LMG1210与 GaN FET。LMG1210 提供 5 V 的栅极驱动电压，与电源电压无关。传统的栅极驱动器需要对栅极驱动器的偏置电源进行非常严格的调节，这样它们才不会对 GaN FET 造成过大的压力。与 e 模式 GaN FET 相比，级联 GaN FET（如图 3 所示）是一种易于使用的折衷方案。

图 3：e 模式和级联 d 模式 GaN FET 的符号

GaN FET 是一种耗尽型 (d-mode) 器件，这意味着它通常处于开启状态，需要负栅极阈值才能关闭器件。这对于电源开关来说是非常成问题的，因此大多数制造商都添加了一个与 GaN FET 串联的 30V 硅 FET，作为一个封装出售。GaN FET 的栅极连接到硅 FET 的源极，并将导通和关断栅极脉冲施加到硅 FET 的栅极。

使用传统的隔离式栅极驱动器（例如 TI 的 UCC5350）驱动硅 FET，消除了许多栅极驱动器和偏置电源问题。考虑到体二极管的存在，级联 GaN FET 的最大缺点是 FET 较高的输出电容和反向恢复的敏感性。硅 FET 的输出电容增加了 GaN FET 的输出电容，增加了 20%，这意味着与其他氮化镓解决方案相比，开关损耗增加了 20% 以上。而在反向导通过程中，硅场效应管的体二极管会导通电流，并在电压极性翻转时进行反向恢复。

级联 GaN FET 以 70 V/ns 的压摆率工作（而其他氮化镓解决方案为 150 V/ns）以防止硅 FET 的雪崩击穿，从而增加开关重叠损耗。尽管级联 GaN FET 更易于设计，但它们限制了可实现的性能。

集成提供了更简单的解决方案

栅极驱动器与内置偏置电源调节和 d 模式 GaN FET 的集成解决了 e 模式和级联 GaN FET 的许多设计挑战。例如，TI 的 LMG3422R030 是一款 600V 30mΩ 氮化镓器件，具有集成的栅极驱动器和电源管理功能，可实现更高的功率密度和效率，同时降低所需的风险和工程工作量。因为 GaN FET 是 d 模式，所以有一个硅 FET 与 GaN FET 串联集成。但与级联 GaN FET 的最大区别在于，集成栅极驱动器可以直接驱动 GaN FET 的栅极，而硅 FET 在上电时起到常关开关的作用。这种称为直接驱动的方法消除了级联 GaN FET 最紧迫的问题，例如更高的输出电容、反向恢复敏感性和串联硅 FET 的雪崩击穿。LMG3422R030 中集成的栅极驱动器可实现非常低的开关重叠损耗，使该 GaN FET 能够在高达 2.2 MHz 的开关频率下运行，并消除了将 GaN FET 与错误的栅极驱动器配对的风险。图 4 显示了使用集成 LMG3422R030 GaN FET 的半桥配置示例。

图 4：使用 UCC25800 变压器驱动器和两个 LMG3422R030 GaN FET 的简化 GaN 半桥配置

集成驱动器缩小了解决方案尺寸，实现了功率密集型系统。集成降压-升压转换器还意味着 LMG3422R030 可以在 9V 至 18V 非稳压电源下运行，从而显着降低偏置电源要求。为了实现紧凑且成本更低的系统解决方案，您可以将 LMG3422R030 与超低电磁干扰变压器驱动器（例如 TI 的 UCC25800）结合使用，该驱动器具有开环电感-电感-电容控制以及多个次级侧绕组。或者，高度集成的紧凑型偏置电源（例如 TI 的 UCC14240 DC/DC 模块）可以在本地为设备供电，从而实现具有小印刷电路板占位面积的薄型设计。

结论

借助正确的栅极驱动器和偏置电源，氮化镓器件可以帮助您实现系统级优势，例如 150 V/ns 的开关速度、降低的开关损耗以及更小的磁性元件尺寸，适用于工业和汽车应用中的大功率系统. 集成的氮化镓解决方案简化了您的许多设备级挑战，因此您可以专注于更广泛的系统。

　　审核编辑：汤梓红