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，因為它可以使得80Plus鈦電源、3.8 kW/L電動汽車(EV)車載充電器和電動汽車(EV)充電站等設計得以實施。在許多具體應用中，由于GaN能夠驅動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現(xiàn)的性能，使得使用GaN元件進行設計時，要面臨與硅元件截然不同的一系列挑戰(zhàn)。

　　GaN場效應晶體管包括耗盡型（d-mode）、增強型（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動和系統(tǒng)要求。

GaN FET的內(nèi)部結構

　　每種GaN電源開關都需要適當?shù)臇艠O驅動，否則在測試時就可能發(fā)生事故。GaN器件具有極度敏感的柵極，因為它們不是傳統(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的電流不會流過整個襯底或緩沖層，而是流過一個二維的電子氣層。

圖1.GaN FET橫向結構截面圖

　　不當?shù)臇艠O控制可能會導致GaN FET的絕緣層、勢壘或其他的結構性部分被擊穿。這不僅會造成GaN FET在對應系統(tǒng)條件下無法工作，還會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結構，該結構會形成PN結，進而產(chǎn)生體二極管。這也意味著沒有內(nèi)部二極管會在運行過程中被擊穿或產(chǎn)生如反向恢復等的不必要的過程。

柵極驅動和偏置電源

　　增強型GaN FET在外觀上與增強型硅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。但是大多增強型GaN器件的最大柵極閾值電壓為7V，一旦超過就會造成永久性傷害。

　　傳統(tǒng)的硅柵極驅動器可能無法提供適當?shù)碾妷悍€(wěn)定度或無法解決高共模瞬態(tài)抗擾度問題，因此許多設計人員選擇了諸如專為GaN FET設計的LMG1210-Q1的柵極驅動器。無論電源電壓如何，LMG1210-Q1只提供5V的柵極驅動電壓。傳統(tǒng)的柵極驅動器需要對柵極偏置電源進行非常嚴格的控制才能不會在GaN FET的柵極產(chǎn)生過壓。相比于增強型GaN FET，共源共柵型GaN FET則是一種在易用上的折衷方案，結構如圖2所示。

圖2.增強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通，關閉時需要在柵極施加一個負的閾值電壓。這對于電源開關來說是一個很大的問題，為此許多制造商在GaN FET封裝中串接一個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)的隔離式柵極驅動器（如UCC5350-Q1）驅動硅FET可以解決許多柵極驅動和電源偏置問題。共源共柵型GaN FET的最大缺點是FET的輸出電容較高，并且由于體二極管的存在，易受反向恢復的影響。硅FET的輸出電容在GaN FET的基礎上增加了20%，這意味著與其他GaN解決方案相比，開關損耗增加了20%以上。而在反向導通過程中，硅場效應管的體二極管會導通電流，并在電壓極性翻轉時進行反向恢復。

　　硅FET的輸出電容在GaN FET原有的基礎上增加了20%，這意味著與其他GaN解決方案相比，開關損耗增加了20%以上。此外在反向導通過程中，硅FET的體二極管會導通電流，并在電壓極性翻轉時進行反向恢復。

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

通過集成可以得到更簡單的解決方案

　　將耗盡型GaN FET與柵極驅動器和內(nèi)置偏置電源控制進行整合，可以解決增強型和共源共柵型GaN FET在設計上許多問題。例如，LMG3522R030-Q1是一款650V 30mΩ的GaN器件，集成了柵極驅動器和電源管理功能，可實現(xiàn)更高的功率密度和效率，同時降低相關風險和工程工作量。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動器可以直接驅動GaN FET的柵極，而硅FET則在上電時保持常閉狀態(tài)啟動開關。這種直接驅動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，反向恢復敏感性和串聯(lián)硅FET的雪崩擊穿。LMG3522R030-Q1中集成的柵極驅動器可實現(xiàn)很低的開關交疊損耗，使GaN FET能夠在高達2.2 MHz的開關頻率下工作，并消除使用錯誤柵極驅動器的風險。圖3顯示了使用集成了LMG3522R030-Q1的GaN FET的半橋設置。

圖3.使用UCC25800-Q1變壓器驅動器和兩個LMG3522R030-Q1 GaN FET的簡化GaN半橋配置

　　驅動器的集成可以縮小方案尺寸，實現(xiàn)功率密集型系統(tǒng)。集成降壓-升壓轉換器還意味著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。為實現(xiàn)系統(tǒng)解決方案的緊湊性且經(jīng)濟性，可以將LMG3522R030-Q1與UCC25800-Q1等超低電磁干擾變壓器驅動器配合使用，可通過多個二次繞組實現(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）也可實現(xiàn)印制電路板內(nèi)的超薄設計。

總結

　　結合適合柵極驅動器和偏執(zhí)電源，GaN器件可以獲得150V/ns的開關速度，極小的開關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的問題，從而使用戶可以專注于更廣泛的系統(tǒng)級的考量。