具有集成式驅(qū)動(dòng)器和自我保護(hù)功能的GaN FET如何實(shí)現(xiàn)下一代工業(yè)電源設(shè)計(jì)

氮化鎵(GaN)半導(dǎo)體的物理特性與硅器件不相上下。傳統(tǒng)的電源供應(yīng)器金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)和絕緣柵極雙極晶體管(IGBT)只有在犧牲效率、外形尺寸和散熱的前提下才能提高功率密度。

使用GaN則可以更快地處理電源電子器件并更有效地為越來(lái)越多的高壓應(yīng)用提供功率。GaN更優(yōu)的開(kāi)關(guān)能力意味著它可以用更少的器件更有效地轉(zhuǎn)換更高水平的功率，如圖1所示。GaN半導(dǎo)體能夠在交流/直流供電應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)新型電源和轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。（例如，5G通信電源整流器和服務(wù)器計(jì)算）GaN不斷突破新應(yīng)用的界限，并開(kāi)始取代汽車(chē)、工業(yè)和可再生能源市場(chǎng)中傳統(tǒng)硅基電源解決方案。

圖1 硅設(shè)計(jì)與GaN設(shè)計(jì)的磁性元件功率密度對(duì)比

GaN FET：新的集成系統(tǒng)

大型數(shù)據(jù)中心、企業(yè)服務(wù)器和通信交換中心會(huì)消耗大量電能。在這些電源系統(tǒng)中，F(xiàn)ET通常與柵極驅(qū)動(dòng)器分開(kāi)封裝，因?yàn)樗鼈兪褂貌煌墓に嚰夹g(shù)，并且最終會(huì)產(chǎn)生額外的寄生電感。

除了導(dǎo)致較大的形狀尺寸外，這還可能限制GaN在高壓擺率下的開(kāi)關(guān)性能。另一方面，具有集成式柵極驅(qū)動(dòng)器的TI GaN FET（例如 LMG3425R030 ）憑借150V/ns的壓擺率可更大程度降低寄生電感，與分立式GaN相比，其損耗降低了66%，并更大程度地降低了電磁干擾。圖2顯示了具有集成式柵極驅(qū)動(dòng)器的TI GaN FET。

在數(shù)據(jù)中心和服務(wù)器場(chǎng)中，TI的新型GaN FET使得拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單（例如圖騰柱功率因數(shù)校正），從而降低了轉(zhuǎn)換損耗，簡(jiǎn)化了散熱設(shè)計(jì)并縮小了散熱器的尺寸。與相同尺寸的1U機(jī)架式服務(wù)器中的硅MOSFET相比，這些器件可實(shí)現(xiàn)兩倍的功率密度和99%的效率。在考慮長(zhǎng)期影響時(shí)，這種功率密度和效率節(jié)省變得尤為重要。例如，假設(shè)一個(gè)服務(wù)器場(chǎng)通過(guò)安裝GaN器件每月提高3%的交流/直流效率。如果該服務(wù)器場(chǎng)每天轉(zhuǎn)換30kW的功率，那么他們每月將節(jié)省超過(guò)27kW，約為每月2,000美元，每年24,000美元。

當(dāng)GaN FET與限流和過(guò)熱檢測(cè)功能集成時(shí)，它可以防止擊穿和熱失控事件。此外，系統(tǒng)接口信號(hào)可實(shí)現(xiàn)自我監(jiān)測(cè)功能。

可靠性是電源電子器件中的關(guān)鍵因素。因此，與傳統(tǒng)的級(jí)聯(lián)以及獨(dú)立GaN FET相比，高度集成的GaN器件可以通過(guò)集成功能和保護(hù)功能來(lái)更有效地提高可靠性并優(yōu)化高壓電源的性能。

使用外部驅(qū)動(dòng)器，寄生電感會(huì)導(dǎo)致開(kāi)關(guān)損耗以及高GaN頻率下的振鈴和可靠性問(wèn)題。共源電感大大增加了導(dǎo)通損耗。同樣，在高壓擺率下設(shè)計(jì)穩(wěn)健過(guò)流保護(hù)電路既困難又昂貴。但是，由于GaN本身缺乏體二極管，因此可減少開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)上的振鈴，并消除任何反向恢復(fù)損耗。

圖2 具有柵極驅(qū)動(dòng)器和短路保護(hù)功能的600V GaN FET的集成

具有保護(hù)功能的GaN器件

GaN器件的結(jié)構(gòu)與硅器件截然不同。盡管它們可以更迅捷地開(kāi)關(guān)，但是從性能和可靠性的角度來(lái)看，仍然面臨獨(dú)特的難題。使用分立式GaN器件時(shí)，還存在設(shè)計(jì)簡(jiǎn)便性和物料清單成本之類(lèi)的問(wèn)題。

全新的工業(yè)600V GaN器件系列在30-50mΩ功率級(jí)集成了GaN FET、驅(qū)動(dòng)器和保護(hù)功能，可為100-10kW的應(yīng)用提供單芯片解決方案。 LMG3422R030 、 LMG3425R030 、 LMG3422R050 和 LMG3425R050 GaN器件面向高功率密度和高效率應(yīng)用。

與硅MOSFET不同，GaN可以“類(lèi)二極管”的方式在第三象限導(dǎo)通，并通過(guò)減小電壓降盡可能減少死區(qū)時(shí)間。TI在LMG3425R030和LMG3425R050中的理想二極管模式進(jìn)一步降低了供電應(yīng)用中的損耗。

這些GaN器件已通過(guò)了4,000萬(wàn)小時(shí)的器件可靠性測(cè)試，包括加速開(kāi)關(guān)測(cè)試和應(yīng)用內(nèi)硬開(kāi)關(guān)測(cè)試。這些可靠性測(cè)試均在最大功率、電壓和溫度環(huán)境下的高度加速開(kāi)關(guān)條件下進(jìn)行。

結(jié)論

開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)人員一直在努力提高功率密度和效率。硅MOSFET和IGBT的功率密度和效率較低，碳化硅(SiC)器件的功率密度和效率更高，但成本也更高。

GaN器件使解決方案能夠獲得優(yōu)質(zhì)超結(jié)FET兩倍的功率密度。同樣，它們促進(jìn)了80Plus Titanium等標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證，這些標(biāo)準(zhǔn)要求服務(wù)器和通信應(yīng)用具有非常高的電源效率。

盡管GaN是電源電子器件領(lǐng)域的一項(xiàng)革命性技術(shù)，但仍需要仔細(xì)的工藝和材料工程。這要求構(gòu)建高質(zhì)量GaN晶體，優(yōu)化電介質(zhì)膜并在制造工藝中確保非常干凈的界面。除此之外，必須進(jìn)行熟練的測(cè)試和封裝。

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