氮化鎵集成方案如何提高功率密度

　　氮化鎵(GaN)是電力電子行業(yè)的熱門話題，因?yàn)樗梢允沟?0Plus鈦電源、3.8 kW/L電動(dòng)汽車(EV)車載充電器和電動(dòng)汽車(EV)充電站等設(shè)計(jì)得以實(shí)施。在許多具體應(yīng)用中，由于GaN能夠驅(qū)動(dòng)更高的功率密度和具有更高的效率，因此它取代了傳統(tǒng)的MOSFET晶體管。但由于GaN的電氣特性和它所能實(shí)現(xiàn)的性能，使得使用GaN元件進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，要面臨與硅元件截然不同的一系列挑戰(zhàn)。

　　GaN場效應(yīng)晶體管包括耗盡型（d-mode）、增強(qiáng)型（e-mode）、共源共柵型(cascode）等三種類型，并且每種都具有各自的柵極驅(qū)動(dòng)和系統(tǒng)要求。

GaN FET的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

　　每種GaN電源開關(guān)都需要適當(dāng)?shù)臇艠O驅(qū)動(dòng)，否則在測試時(shí)就可能發(fā)生事故。GaN器件具有極度敏感的柵極，因?yàn)樗鼈儾皇莻鹘y(tǒng)意義上的MOSFET，而是高電子遷移率晶體管(HEMTs)。高電子遷移率晶體管的截面如圖1所示，類似于MOSFET。GaN FET的電流不會(huì)流過整個(gè)襯底或緩沖層，而是流過一個(gè)二維的電子氣層。

圖1.GaN FET橫向結(jié)構(gòu)截面圖

　　不當(dāng)?shù)臇艠O控制可能會(huì)導(dǎo)致GaN FET的絕緣層、勢壘或其他的結(jié)構(gòu)性部分被擊穿。這不僅會(huì)造成GaN FET在對應(yīng)系統(tǒng)條件下無法工作，還會(huì)對器件本身造成永久性損壞。這種靈敏度水平就需要用戶認(rèn)真考察不同類型GaN器件的特性及其廣泛需求。HEMT也不具有傳統(tǒng)摻雜的FET結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)會(huì)形成PN結(jié)，進(jìn)而產(chǎn)生體二極管。這也意味著沒有內(nèi)部二極管會(huì)在運(yùn)行過程中被擊穿或產(chǎn)生如反向恢復(fù)等的不必要的過程。

柵極驅(qū)動(dòng)和偏置電源

　　增強(qiáng)型GaN FET在外觀上與增強(qiáng)型硅FET極為類似。在柵極閾值電壓為6V的大多數(shù)工作條件下，1.5 V至1.8 V的正電壓為開啟電壓。但是大多增強(qiáng)型GaN器件的最大柵極閾值電壓為7V，一旦超過就會(huì)造成永久性傷害。

　　傳統(tǒng)的硅柵極驅(qū)動(dòng)器可能無法提供適當(dāng)?shù)碾妷悍€(wěn)定度或無法解決高共模瞬態(tài)抗擾度問題，因此許多設(shè)計(jì)人員選擇了諸如專為GaN FET設(shè)計(jì)的LMG1210-Q1的柵極驅(qū)動(dòng)器。無論電源電壓如何，LMG1210-Q1只提供5V的柵極驅(qū)動(dòng)電壓。傳統(tǒng)的柵極驅(qū)動(dòng)器需要對柵極偏置電源進(jìn)行非常嚴(yán)格的控制才能不會(huì)在GaN FET的柵極產(chǎn)生過壓。相比于增強(qiáng)型GaN FET，共源共柵型GaN FET則是一種在易用上的折衷方案，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2.增強(qiáng)型與共源共柵耗盡型GaN FET示意圖

　　GaN FET是一種耗盡型器件，意味著該器件在通常情況下導(dǎo)通，關(guān)閉時(shí)需要在柵極施加一個(gè)負(fù)的閾值電壓。這對于電源開關(guān)來說是一個(gè)很大的問題，為此許多制造商在GaN FET封裝中串接一個(gè)MOSFET。GaN FET的柵極與硅FET的源極相連，在硅FET的柵極施加開啟與關(guān)閉柵極脈沖。

　　封裝內(nèi)串接硅FET的優(yōu)勢在于使用傳統(tǒng)的隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器（如UCC5350-Q1）驅(qū)動(dòng)硅FET可以解決許多柵極驅(qū)動(dòng)和電源偏置問題。共源共柵型GaN FET的最大缺點(diǎn)是FET的輸出電容較高，并且由于體二極管的存在，易受反向恢復(fù)的影響。硅FET的輸出電容在GaN FET的基礎(chǔ)上增加了20%，這意味著與其他GaN解決方案相比，開關(guān)損耗增加了20%以上。而在反向?qū)ㄟ^程中，硅場效應(yīng)管的體二極管會(huì)導(dǎo)通電流，并在電壓極性翻轉(zhuǎn)時(shí)進(jìn)行反向恢復(fù)。

　　硅FET的輸出電容在GaN FET原有的基礎(chǔ)上增加了20%，這意味著與其他GaN解決方案相比，開關(guān)損耗增加了20%以上。此外在反向?qū)ㄟ^程中，硅FET的體二極管會(huì)導(dǎo)通電流，并在電壓極性翻轉(zhuǎn)時(shí)進(jìn)行反向恢復(fù)。

　　為防止硅FET的雪崩擊穿，共源共柵型GaN FET需以70V/ns的轉(zhuǎn)換速率工作，這也增加了開關(guān)交疊損耗。盡管共源共柵型GaN FET可以簡化設(shè)計(jì)流程，但也限制了設(shè)計(jì)的可實(shí)現(xiàn)性。

通過集成可以得到更簡單的解決方案

　　將耗盡型GaN FET與柵極驅(qū)動(dòng)器和內(nèi)置偏置電源控制進(jìn)行整合，可以解決增強(qiáng)型和共源共柵型GaN FET在設(shè)計(jì)上許多問題。例如，LMG3522R030-Q1是一款650V 30mΩ的GaN器件，集成了柵極驅(qū)動(dòng)器和電源管理功能，可實(shí)現(xiàn)更高的功率密度和效率，同時(shí)降低相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)和工程工作量。耗盡型GaN FET需要在封裝內(nèi)串接硅FET，但與共源共柵型GaN FET的最大區(qū)別在于所集成的柵極驅(qū)動(dòng)器可以直接驅(qū)動(dòng)GaN FET的柵極，而硅FET則在上電時(shí)保持常閉狀態(tài)啟動(dòng)開關(guān)。這種直接驅(qū)動(dòng)可以解決共源共柵型GaN FET的主要問題，例如更高的輸出電容，反向恢復(fù)敏感性和串聯(lián)硅FET的雪崩擊穿。LMG3522R030-Q1中集成的柵極驅(qū)動(dòng)器可實(shí)現(xiàn)很低的開關(guān)交疊損耗，使GaN FET能夠在高達(dá)2.2 MHz的開關(guān)頻率下工作，并消除使用錯(cuò)誤柵極驅(qū)動(dòng)器的風(fēng)險(xiǎn)。圖3顯示了使用集成了LMG3522R030-Q1的GaN FET的半橋設(shè)置。

圖3.使用UCC25800-Q1變壓器驅(qū)動(dòng)器和兩個(gè)LMG3522R030-Q1 GaN FET的簡化GaN半橋配置

　　驅(qū)動(dòng)器的集成可以縮小方案尺寸，實(shí)現(xiàn)功率密集型系統(tǒng)。集成降壓-升壓轉(zhuǎn)換器還意味著LMG3522R030-Q1可以使用9V至18V非穩(wěn)壓電源，從而顯著降低對偏置電源的要求。為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)解決方案的緊湊性且經(jīng)濟(jì)性，可以將LMG3522R030-Q1與UCC25800-Q1等超低電磁干擾變壓器驅(qū)動(dòng)器配合使用，可通過多個(gè)二次繞組實(shí)現(xiàn)開環(huán)的電感-電感-電容控制。使用高度集成的緊湊型偏置電源（如UCC14240-Q1 DC/DC模塊）也可實(shí)現(xiàn)印制電路板內(nèi)的超薄設(shè)計(jì)。

總結(jié)

　　結(jié)合適合柵極驅(qū)動(dòng)器和偏執(zhí)電源，GaN器件可以獲得150V/ns的開關(guān)速度，極小的開關(guān)損耗和更小的高功率系統(tǒng)磁性尺寸。集成化的GaN解決方案可以解決很多器件級(jí)的問題，從而使用戶可以專注于更廣泛的系統(tǒng)級(jí)的考量。