用GaN重新考慮功率密度

電力電子世界在1959年取得突破，當時Dawon Kahng和MarTIn Atalla在貝爾實驗室發(fā)明了金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET）。首款商業(yè)MOSFET在五年后發(fā)布生產，從那時起，幾代MOSFET晶體管使電源設計人員實現了雙極性早期產品不可能實現的性能和密度級別。

然而，近年來，這些已取得的進步開始逐漸弱化，為下一個突破性技術創(chuàng)造了空間和需求。這就是氮化鎵（GaN）引人注目的地方。

作為一種寬帶隙晶體管技術，GaN正在創(chuàng)造一個令人興奮的機會，以實現電力電子系統(tǒng)達到新的性能和效率。GaN的固有優(yōu)勢為工程師開啟了重新考慮功率密度的方法，這些方法在以前并不可能實現，如今能滿足世界日益增長的電力需求。在這篇文章中，我將探討如何實現。

為何選擇GaN？

當涉及功率密度時，GaN為硅MOSFET提供了幾個主要優(yōu)點和優(yōu)勢，包括：

• 較低的RDS（on）：如表1所示，GaN的MOSFET面積為RDS（on）的一半。這直接使電路中傳導損耗降低了50％。因此，您可以在設計中使用較小的散熱器和更簡單的熱管理。

• 較低的柵極和輸出電荷：GaN提供較低的柵極電荷。與MOSFET的4nC相比，典型的中壓器件具有大約1nC的柵極電荷（表2）。較低的柵極電荷使設計具有更快的導通時間和轉換速率，同時減少損耗。

類似地，GaN具有顯著較低的輸出電荷（表2），這為每個設計帶來雙重優(yōu)勢。首先，開關損耗下降多達80％，結合較低的傳導損耗，對功率密度有重大和積極的影響。第二，根據拓撲和應用，設計可在更高的開關頻率運行高達10倍。這大大減少了磁性材料的尺寸以及設計的尺寸和占用空間，同時將整體效率提高了15%。

• 零反向恢復：硅MOSFET在50至60 nC范圍內具有典型的反向恢復電荷，具體取決于其尺寸和特性。當MOSFET關斷時，體二極管中的反向恢復電荷（Qrr）產生損失，從而增加了總的系統(tǒng)開關損耗。這些損耗與開關頻率成正比。如圖1所示，較高頻率下的Qrr損耗使得MOSFET在許多應用中變得不切實際。

1. 相比GaN替代品，MOSFET的反向恢復電荷（Qrr）損耗在較高頻率下要大得多。

相比之下，GaN具有零反向恢復和零Qrr損耗，使GaN FET成為硬切換應用的理想選擇，如稍后的示例所示。

驅動GaN

不管所用的GaN類型如何，柵極驅動設計對于實現最佳的整體性能至關重要。一個糟糕的柵極驅動設計的一個很好的類比是在一級方程式賽車上使用街胎。

在設計柵級驅動器時，請注意以下幾個關鍵參數：

• 偏置電壓：重要的是將柵極偏置為最佳電壓以獲得最佳的開關性能，同時保護柵極免受潛在的過壓狀況。偏置電平隨類型和GaN制造工藝而異，需要相應設置。具有鉗位或過壓保護電路也極其關鍵。

• 環(huán)路電感：由于GaN的高壓擺率和開關頻率，設計中的任何寄生電感都會在系統(tǒng)中引入損耗和振鈴。許多電感源存在于GaN FET和驅動器封裝中的引線和內部接合線以及印刷電路板（PCB）跡線的設計中。雖然可將其減少，但很難消除它們。諸如LMG3410的GaN功率級解決方案將驅動器和GaN FET集成到單個封裝中，顯著降低了總體電感。

• 傳播延遲：短傳播延遲和良好匹配（針對半橋拓撲）對于高頻操作非常重要。 25 ns的傳播延遲和1到2 ns的匹配是高頻（1 MHz或更高）設計的一個很好的起點。

2. 如通過優(yōu)化的驅動器設計的GaN開關波形所證明的，GaN可以非常高速的轉換速率工作，并且使交換節(jié)點上的振鈴最小。

通過最佳的柵極驅動設計和PCB布局，您可以非常高的轉換速率（》 100 V / ns）運行GaN，使交換節(jié)點上的振鈴最小。圖2所示為這種設計的開關波形的示例。

設計實例：下一代PFC解決方案

由于其獨特的特性，GaN幫助電源設計人員克服了不同系統(tǒng)和應用中功率密度方面最困難的挑戰(zhàn)。這些好處不是來自于在現有設計中簡單地將MOSFET替換為等效GaN。GaN使得以前不可能使用硅MOSFET實現的新電路拓撲結構和/或工作模式變?yōu)楝F實。顯著的優(yōu)勢導致新一代的產品尺寸更小、效率更高。我們來看一個這樣的示例。

功耗因數校正（PFC）在消耗大于75W的每個電氣或電子產品中是強制性的。PFC是位于電源和系統(tǒng)其余部分之間的第一個電源轉換模塊，并在任何給定的工作點承載整個負載。因此，它直接影響整個系統(tǒng)的大小和效率。

已設計出不同拓撲的一代產品，旨在減小尺寸，同時滿足行業(yè)標準的效率。例如，在80 Plus中定義的效率水平對于鈦級電源需要96％的效率。

3. 雙橋PFC拓撲通常用于許多大功率設計。

許多大功率系統(tǒng)（> 1 kW）采用雙橋拓撲結構（圖3）。隨著碳化硅（SiC）二極管和最新一代的超結MOSFET晶體管的引入，我們已經看到過去十年中功率密度方面的改進。然而，這些改進已達到效率和功率密度的停滯期。

功率密度的顯著增加需要一種替代方法：

• 電源開關的數量

• 濾波電感的數量

• 電感器的尺寸

• 散熱片和冷卻元件的尺寸

一種替代方案是連續(xù)導通模式圖騰柱拓撲。這種拓撲結構充分利用了GaN的所有關鍵特性，最終導致尺寸更小、工作頻率更高的設計（圖4）。GaN的零反向恢復對于實現該拓撲特別重要。

4. 圖騰柱PFC拓撲結構在降低工作頻率的同時降低設計尺寸，充分利用了GaN的零反向恢復。

表3總結了這種無橋PFC設計的幾個主要優(yōu)點，并做了進一步闡述：

• 電源開關：與雙橋拓撲相比，圖騰柱PFC替代了兩個超結MOSFET和兩個僅具有兩個GaN器件的SiC二極管。

• 濾波電感器：該拓撲結構消除了功率級中的一個龐大的濾波電感。電感器的去除及功率開關數量的減少也提高了整體系統(tǒng)的可靠性。

• 尺寸：由于GaN在高得多的開關頻率（通常為40至60 kHz條件下的MOSFET的四倍）條件下工作，您可使用較小的濾波電感。此外，GaN的較低開關損耗使得設計人員能夠在功率級中顯著縮小散熱片的尺寸。

• 效率：精心設計的圖騰柱PFC的高效率達99％以上。為了說明這一點，在整個PFC階段，1 kW的功耗消耗不到10W。

• 成本：由于其現有制造成本，GaN器件的溢價將更高。然而，鑒于此處節(jié)省的成本，系統(tǒng)總成本應與現有的MOSFET設計相當。

現代圖騰柱設計還利用數字功率控制器進一步提高效率，總諧波失真和其他關鍵設計參數。數字控制器（如C2000和UCD3138）可以智能地控制功率級操作，實時優(yōu)化效率，并響應線路和負載條件。

結論

我們見證了需要更高功率的諸如云計算、5G電信基礎設施、風電和太陽能電站及電動和混合動力汽車等行業(yè)的日益增長的需求。隨著硅MOSFET達到停滯期，設計人員正在探索寬帶隙技術，如GaN的下一個設計。

如PFC示例所示，GaN不僅提高了效率，而且將電源的尺寸大大降低了30%至50%。您可以在隔離或非隔離的dc-dc轉換器、逆變器和其它電源轉換子系統(tǒng)中使用GaN，以顯著降低功耗、部件數量、重量和尺寸。