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    使用集成 GaN 解決方案提高功率密度

    發布時間:2022-09-19 來源:中國自動化網 類型:解決方案 人瀏覽
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    關鍵字:

    GaN器件

    導讀:

    通過使用合適的柵極驅動器和偏置電源,GaN器件可幫助您實現系統級優勢,如150V/ns的開關速度、較低的開關損耗以及較小的高功率系統磁性尺寸,適用于工業和汽車應用。集成GaN解決方案可以簡化許多器件級挑戰,從而使您可以專注于更廣泛的系統。


      氮化鎵(GaN)是電力電子行業的熱門話題,因為它可以使得80Plus鈦電源、3.8kW/L電動汽車(EV)車載充電器和EV充電站等設計得以實現。在許多應用中,GaN能夠提高功率密度和效率,因此它取代了傳統的硅金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)。但由于GaN的電氣特性和它所能實現的性能,使用GaN進行設計面臨與硅不同的一系列挑戰。

      不同類型的GaN FET具有不同的器件結構。GaN FET包括耗盡型(d-mode)、增強型(e-mode)、共源共柵型(cascode)等三種類型,每種類型都具有各自的柵極驅動器和系統要求。本文將介紹使用不同類型的GaN FET進行設計來提高系統設計的功率密度所需考慮的最重要因素。同時還將分析集成柵極驅動器和電壓供應調節等功能可以如何顯著簡化整體設計。

      GaN FET剖析

      每種GaN電源開關都需要配備合適的柵極驅動器,否則在工作臺測試時可能發生事故。GaN器件具有超級敏感的柵極,因為它們不是傳統意義上的MOSFET,而是高電子遷移率晶體管(HEMT)。HEMT的截面如圖1所示,類似于MOSFET,但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。

      GaN器件

      圖1:GaN FET橫向結構截面圖

      不當的柵極控制可能會導致GaN FET的絕緣層、勢壘或其他結構性部分被擊穿。這不僅會造成GaN FET在對應系統條件下無法工作,還可能會對器件本身造成永久性損壞。這種敏感度取決于不同類型的GaN器件及其廣泛需求。HEMT也不具有傳統摻雜的FET結構。該結構會形成PN結,進而產生體二極管。這意味著內部二極管不會在運行過程中被擊穿或產生反向恢復等不必要行為。

      柵極驅動器和偏置電源注意事項

      增強型GaN FET在外觀上與增強型硅FET非常類似,這點您可能已經有所體會。在柵極閾值電壓為6V的工作條件下,1.5V至1.8V的正電壓為FET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,一旦超過很可能會造成永久性損壞。

      由于傳統的硅柵極驅動器在基于GaN的設計中可能無法提供適當的電壓調節功能或無法解決高共模瞬態抗擾度問題,許多設計人員會選擇TI專為GaN FET設計的LMG1210-Q1等柵極驅動器。無論電源電壓如何,該器件都可提供5V的柵極驅動電壓。傳統的柵極驅動器需要非常嚴格地調節柵極驅動器的偏置電源,以防GaN FET過載。相比于增強型GaN FET,共源共柵型GaN FET是一種犧牲易用性的折衷方案,結構如圖2所示。

    GaN器件

      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、關斷時需要在柵極施加負的閾值電壓。這對于電源開關來說是一個很大的問題,為此大多數制造商在GaN FET封裝中串接了一個30V硅FET。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。

      封裝內串接硅FET的主要優勢在于,使用傳統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器和偏置電源問題。共源共柵型GaN FET的主要缺點是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的輸出電容加上GaN FET的輸出電容,使FET的輸出電容增加了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(其他GaN解決方案為150V/ns)的壓擺率工作,這增加了開關交疊損耗。盡管共源共柵型GaN FET可以簡化設計,但會限制可實現的性能。

      通過集成實現更簡單的解決方案

      將柵極驅動器和內置偏置電源調節與耗盡型GaN FET進行集成,可以解決增強型和共源共柵型GaN FET設計上的許多難題。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需要在封裝內串接硅FET。但與共源共柵型GaN FET的主要區別在于,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,例如較高的輸出電容、反向恢復敏感性和串聯硅FET的雪崩擊穿。LMG3522R030-Q1中集成的柵極驅動器可實現較低的開關交疊損耗,使GaN FET能夠在高達2.2MHz的開關頻率下工作,并消除GaN FET使用錯誤柵極驅動器的風險。圖3展示了使用了集成LMG3522R030-Q1 GaN FET的半橋配置。

    GaN器件

      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

      集成驅動器可減小解決方案尺寸,實現功率密集型系統。同時,集成降壓/升壓轉換器意味著LMG3522R030-Q1可在9V至18V的非穩壓電源下工作,從而顯著降低對偏置電源的要求。為實現緊湊且經濟的系統解決方案,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,通過多個二次繞組實現開環的電感-電感-電容控制?;蛘?,使用高度集成的緊湊型偏置電源(如UCC14240-Q1直流/直流模塊),可為器件進行本地供電,從而實現基于小尺寸印刷電路板的超薄設計。

      結語

      通過使用合適的柵極驅動器和偏置電源,GaN器件可幫助您實現系統級優勢,如150V/ns的開關速度、較低的開關損耗以及較小的高功率系統磁性尺寸,適用于工業和汽車應用。集成GaN解決方案可以簡化許多器件級挑戰,從而使您可以專注于更廣泛的系統。

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