使用集成 GaN 解決方案提高功率密度

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。

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。

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。

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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審核編輯 黃宇