用于多种电源应用的GaN晶体管

硅功率 MOSFET 没有跟上电力电子行业的演进变化，其中效率、功率密度和更小的外形因素是社区的主要需求。电力电子行业已经看到硅 MOSFET 的理论极限，现在需要转向新元件。氮化镓或 GaN 是一种高度移动的半导体电子半导体 (HEMT)，被证明在满足新应用方面具有真正的附加值。

GaN 晶体管比硅 MOSFET 更快、更小。GaN 的性能表明效率和性能得到了显着提高，从而带来了一些硅技术无法实现的新应用。板空间非常昂贵。eGaN®的FET，从EPC，在低电感，低电阻，小型和低成本的LGA或BGA封装。此外，在硬开关和软开关应用中，与 MOSFET 相比，它们为设计人员提供了同类最佳产品。

氮化镓场效应管

GaN 开关器件有两种不同的类型：增强模式 (e-GaN) 和级联耗尽模式 (d-GaN)。e-GaN 可以作为普通 MOSFET 工作，即使它的栅源电压降低了。它提供了一个更简单的封装，一个没有体二极管的低电阻，具有像这样的双向通道。

d-GaN 晶体管通常是导通的，需要负电压。您可以通过将 HEMT 晶体管与低压硅 MOSFET 串联来解决这个问题，如图 1 所示。

图 1：e-GaN（左）和 d-GaN（右）配置

相比之下，e-GaN 晶体管通常是关断的，而在栅极上施加正电压时会导通。与 d-GaN 不同，e-GaN 器件不需要负启动偏置：栅极上的偏置为零，器件关闭并且不传导任何电流。

e-GaN FET 的阈值低于硅 MOSFET 中的阈值。这提供了非常低的栅漏电容 (C GD )。其低电容结构允许在纳秒内以 MHz 频率切换数百伏特。栅极至源极电容 (C GS ) 是另一个与 C GD相比较大的参数，使 GaN FET 具有良好的 dv/dt 抗扰度。电源开关器件的 dV/dt 灵敏度是由各种寄生电容和栅极驱动电路阻抗引起的。另一方面，Gate-Charge Qg 参数表明器件能够快速变化，以最小的开关损耗达到更高的 dV/dT。e-GaN 器件比 MOSFET 高 10 倍，而 d-GaN 器件高约 2-5 倍。

要确定电源开关的 dV/dt 灵敏度，您可以使用称为米勒电荷比 (Q GD /Q GS1 )的品质因数。小于 1 的米勒电荷比将保证理论上的 dV/dt 抗扰度。栅极驱动电路布局成为提高 dV/dt 抗扰度的关键因素。

d-GaN 晶体管具有低压硅 MOSFET 的栅极。因此，现有的商用 MOSFET 栅极驱动器可以轻松操作 d-GaN 开关。d-GaN 器件的一个不利影响是由于添加了硅 MOSFET 引燃电阻，因此具有更高的引燃电阻。对于低电压 (<200 V)，增加可能很显着。对于更高的值 (600 V)，附加电阻只能是总导通电阻的 5% 左右。

d-GaN 晶体管增加了封装的复杂性。Mosfet 器件和 GaN HEMT 之间的寄生电感和电容可能会导致开关瞬变期间的延迟。器件的反向传导特性在开关类型中很重要。在 MOSFET 中，体二极管的压降很低，其反向恢复非常缓慢，导致开关损耗非常高。

GaN 器件没有反向体二极管，但由于其物理性质，能够反向传导。在反向传导的情况下，需要有死区时间。由于串联 MOSFET 的低压硅，级联的 d-GaN 器件具有反向恢复功能。

图 2：un GaN 器件中的寄生电容和电流

在硬开关转换器中，输出电荷在每次上电转换时消耗在 FET 中。该损耗与 QOSS、总线电压和开关频率成正比。GaN FET 的 Q OSS 比硅 FET低得多，减少了每个周期的输出电荷损失，从而允许更高的频率（图 2）。

汽车和消费者解决方案

新兴的计算应用程序需要在更小的外形尺寸中提供更多的功率。除了服务器市场不断扩大的需求外，一些最具挑战性的应用是多用户游戏系统、自动驾驶汽车和人工智能 汽车系统正越来越多地转向 48 V 设备，这是由于电子控制耗能的增加功能和自动驾驶汽车的出现对能量分配系统上的激光雷达、雷达、摄像头和超声波传感器等系统产生了额外的需求。这些处理器是“耗能的”，对汽车行业的传统 12 V 配电总线来说是一个额外的负担。对于 48 V 总线系统，GaN 技术可提高效率、减小系统尺寸并降低系统成本。与 MOSFET 解决方案相比，具有两倍频率的 250 kHz GaN 解决方案可将尺寸减小 35%，从而降低电感器 DCR 损耗，并将系统成本降低约 20%。氮化镓异常高的电子迁移率和低温度系数允许低 QG和零 Q RR。最终结果是一种可以管理具有非常高开关频率的任务的设备，低导通时间以及导通损耗占主导地位的设备都是有益的。

“高功率 EPC eGaN® FET 在导通状态下具有更低的电阻、更低的电容、更高的电流和出色的热性能，这些都是这些功率转换器的特点，其效率超过 98%。该系列 eGaN FET 将电阻 (R DS (on))减半，以实现高电流和高功率密度应用。” Alex Lidow 博士说 EPC 首席执行官兼联合创始人。

与上一代相比，最新一代 eGaN FET 的硬开关品质因数也减半，以提高高频功率转换应用中的开关性能。GaN 将性能优势提高到 30 V 可用于构建高功率 DC/DC 转换器、PoL 转换器和同步整流器，用于隔离电源、PC 和服务器。

最小、最具成本效益和最高效率的非隔离 48 V – 12 V 转换器适用于高性能计算和电信应用，可通过采用 eGaN® FET（例如 EPC2045）来实现。EPC2045 的工作温度 di -40 至 +150 °C，热阻 di 1.4 °C/W。漏源导通电阻的典型值为 5.6 mΩ（图 3 和图 4）。

图 4：效率与电流 [来源：EPC]

在消费市场，便携式解决方案正变得越来越“耗能”。考虑到笔记本电脑的小尺寸，有时冷却解决方案有时几乎为零，因此能够管理效率和热管理非常重要。对快速高效充电器的需求促使市场转向新的 GaN 解决方案（图 5）。

图 5：EPC9148 设备 [来源：EPC]

激光雷达

eGaN® FET 和集成电路是在激光雷达系统中打开激光器时使用的合理选择，因为可以激活 FET 以产生脉冲宽度极短的高电流脉冲。“短脉冲宽度带来更高的分辨率，更高的脉冲电流让激光雷达系统看得更远。这两个特性加上它们极小的尺寸，使 GaN 成为激光雷达的理想选择，”Alex Lidow 说。

EPC提供各种开发板。EPC9144 主要设计用于驱动具有总脉冲宽度为 1.2 ns 的大电流脉冲和高达 28 A 的电流的大电流激光二极管。该板围绕 15 V EPC2216 eGaN® FET 汽车级 AEC-Q101 设计。EPC9126 和 EPC9126HC 开发板主要用于驱动具有总脉冲宽度低至 5 ns（峰值的 10%）的高电流脉冲的激光二极管。它们采用 100V EPC2212 和 EPC2001C 增强型 (eGaN®) 场效应晶体管 (FET)，分别能够提供 75 A 和 150 A 的电流脉冲。（图 6）。

图6：EPC9144开发板【来源：EPC】

基于这项技术，Cepton 最先进的激光雷达解决方案 Helius 提供先进的物体检测、跟踪和分类功能，为智慧城市、交通基础设施、安全等领域提供广泛的应用。它体现了三种尖端技术的前所未有的融合：由 Cepton 获得专利的高准技术 (MMT™) 提供支持的行业领先的 3D 激光雷达传感；边缘计算可实现最小数据负担和最大程度的集成；以及用于实时分析的内置高级感知软件。

“激光雷达也已成为一个非常重要的市场。它可能是最广为人知的自动驾驶汽车解决方案。然而，一个快速增长的市场是短距离激光雷达，它被用于诸如只需要看到几英尺的机器人、用于避免碰撞的无人机和驾驶员警报系统。短程激光雷达系统不需要像远程激光雷达系统那样大的电流，但看到短距离意味着您需要更快的脉冲。因为如果您正在测量一米外的物体，这意味着返回信号将在几纳秒内返​​回。我们已经展示了脉冲宽度小于 1.2 ns 的短程激光雷达系统。” 亚历克斯·利多说。

无线电源

“无线能源已准备好融入我们的日常生活。”Alex Lidow 说。发射器可以放置在家具、墙壁、地板上，以高效、经济地为我们的电子和电气设备大面积和跨多个设备供电或充电。无线能量传输的概念已经为人所知有一段时间了，准确地说是 100 多年，其历史可以追溯到特斯拉线圈的发明。无线能量传输的一个关键因素是效率：为了能够有效地定义系统，发电机传输的大部分能量必须到达接收设备。

磁共振技术是实现无处不在的关键——实现大面积传输、定位接收设备的空间自由以及同时为多个设备供电的能力。

EPC 提供全方位的发射器和接收器参考设计，从单个设备充电到大面积同时供电的多个设备。GaN 可实现低频 (Qi) 和高频 (AirFuel) 标准的高效率，支持更低的成本；无论接收设备中使用的标准如何，都可以为设备无线充电的单发射放大器解决方案。依赖 Qi 标准的无线充电系统通过感应耦合在 100 到 300 kHz 范围内的频率运行。

音频应用

D 类音频系统的低功耗产生的热量更少，节省了印刷电路板的空间和成本，并延长了便携式系统的电池寿命。GaN FET 提供更高保真度的 D 类音频放大器。然而，最近，随着具有更好物理特性的基于 GaN 的高电子迁移率晶体管 (HEMT) 器件成为现实，D 类放大器性能的飞跃即将到来。

eGaN® FET 的低电阻和低电容提供低瞬态互调失真 (T-IMD)。快速开关能力和零反向恢复电荷可实现更高的输出线性度和低交叉失真，从而降低总谐波失真 (THD)。

“First-Class D 放大器是为汽车设计的，因为他们希望在汽车中拥有更多的扬声器和更大的功率。A 类放大器太大了，无法产生超过 25 瓦的功率，但仍然适合放在仪表板中。D 类于 1980 年代首次推出，使汽车具有 16 个扬声器和 250 瓦的功率。然而，音质永远不如带有 D 类的 A 类放大器。这是因为 MOSFET 的开关速度不够快，因此，相对较低的开关频率意味着相对较差的再现质量。当然，使用 GaN 器件，您可以达到更高的频率，”Alex Lidow 说。

空间应用

氮化镓的增强型版本 (eGaN) 被广泛用于空间应用的开发。商用 GaN 功率器件的性能明显高于基于硅技术的传统 Rad Hard 器件。这允许在卫星、数据传输、无人机、机器人和航天器上实施创新架构。

 

eGaN FET 具有辐射耐受性、快速开关速度、更高的效率，从而使电源变得更小、更轻（更小的磁体和更小的散热器尺寸，甚至在许多情况下消除了散热器）。电源设计人员可以选择增加频率以允许使用更小的磁铁、提高效率或设计两者的令人满意的平衡。eGaN FET 也比等效的 MOSFET 小。更快的瞬态响应还可以减小电容器尺寸。

　审核编辑：汤梓红