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使用集成 GaN 解決方案提高功率密度

發(fā)布時間:2022-10-10 來源:TI 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】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、3.8kW/L 電動汽車 (EV) 車載充電器和 EV 充電站等設(shè)計得以實現(xiàn)。在許多應(yīng)用中, GaN 能夠提高功率密度和效率,因此它取代了傳統(tǒng)的硅金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管 (MOSFET)。但由于 GaN 的電氣特性和它所能實現(xiàn)的性能,使用 GaN 進(jìn)行設(shè)計面臨與硅不同的一系列挑戰(zhàn)。


不同類型的 GaN FET 具有不同的器件結(jié)構(gòu)。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(qū)動器和系統(tǒng)要求。本文將介紹使用不同類型的 GaN FET 進(jìn)行設(shè)計來提高系統(tǒng)設(shè)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(qū)動器和電壓供應(yīng)調(diào)節(jié)等功能可以如何顯著簡化整體設(shè)計。


GaN FET 剖析


每種 GaN 電源開關(guān)都需要配備合適的柵極驅(qū)動器,否則在工作臺測試時可能發(fā)生事故。GaN 器件具有超級敏感的柵極,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 (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。


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圖 1:GaN FET 橫向結(jié)構(gòu)截面圖


不當(dāng)?shù)臇艠O控制可能會導(dǎo)致 GaN FET 的絕緣層、勢壘或其他結(jié)構(gòu)性部分被擊穿。這不僅會造成 GaN FET 在對應(yīng)系統(tǒng)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(tǒng)摻雜的 FET 結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)會形成 PN 結(jié),進(jìn)而產(chǎn)生體二極管。這意味著內(nèi)部二極管不會在運行過程中被擊穿或產(chǎn)生反向恢復(fù)等不必要行為。


柵極驅(qū)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(jīng)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(tǒng)的硅柵極驅(qū)動器在基于 GaN 的設(shè)計中可能無法提供適當(dāng)?shù)碾妷赫{(diào)節(jié)功能或無法解決高共模瞬態(tài)抗擾度問題,許多設(shè)計人員會選擇TI 專為 GaN FET 設(shè)計的 LMG1210-Q1 等柵極驅(qū)動器。無論電源電壓如何,該器件都可提供 5V 的柵極驅(qū)動電壓。傳統(tǒng)的柵極驅(qū)動器需要非常嚴(yán)格地調(diào)節(jié)柵極驅(qū)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(jié)構(gòu)如圖 2 所示。


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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(dǎo)通、關(guān)斷時需要在柵極施加負(fù)的閾值電壓。這對于電源開關(guān)來說是一個很大的問題,為此大多數(shù)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(guān)閉柵極脈沖。


封裝內(nèi)串接硅 FET 的主要優(yōu)勢在于,使用傳統(tǒng)的隔離式柵極驅(qū)動器(如 UCC5350-Q1)驅(qū)動硅 FET 可以解決許多柵極驅(qū)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(fù)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(guān)損耗增加了 20% 以上。此外,在反向?qū)ㄟ^程中,硅 FET 的體二極管會導(dǎo)通電流,并在電壓極性翻轉(zhuǎn)時進(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(其他 GaN 解決方案為 150V/ns)的壓擺率工作,這增加了開關(guān)交疊損耗。盡管共源共柵型 GaN FET 可以簡化設(shè)計,但會限制可實現(xiàn)的性能。


通過集成實現(xiàn)更簡單的解決方案


將柵極驅(qū)動器和內(nèi)置偏置電源調(diào)節(jié)與耗盡型 GaN FET 進(jìn)行集成,可以解決增強型和共源共柵型 GaN FET 設(shè)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(qū)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(guān)風(fēng)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 的主要區(qū)別在于,所集成的柵極驅(qū)動器可以直接驅(qū)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(guān)。這種直接驅(qū)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(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)動器可實現(xiàn)較低的開關(guān)交疊損耗,使 GaN FET 能夠在高達(dá) 2.2MHz 的開關(guān)頻率下工作,并消除 GaN FET 使用錯誤柵極驅(qū)動器的風(fēng)險。圖 3 展示了使用了集成 LMG3522R030-Q1 GaN FET 的半橋配置。


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圖 3:使用 UCC25800-Q1 變壓器驅(qū)動器和兩個 LMG3522R030-Q1 GaN FET 的簡化 GaN 半橋配置


集成驅(qū)動器可減小解決方案尺寸,實現(xiàn)功率密集型系統(tǒng)。同時,集成降壓/升壓轉(zhuǎn)換器意味著 LMG3522R030-Q1 可在 9V 至 18V 的非穩(wěn)壓電源下工作,從而顯著降低對偏置電源的要求。為實現(xiàn)緊湊且經(jīng)濟的系統(tǒng)解決方案,可以將 LMG3522R030-Q1 與 UCC25800-Q1 等超低電磁干擾變壓器驅(qū)動器配合使用,通過多個二次繞組實現(xiàn)開環(huán)的電感-電感-電容控制。或者,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(jìn)行本地供電,從而實現(xiàn)基于小尺寸印刷電路板的超薄設(shè)計。


結(jié)語


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


關(guān)于德州儀器 (TI)


德州儀器 (TI) (納斯達(dá)克股票代碼:TXN) 是一家全球性的半導(dǎo)體公司,致力于設(shè)計、制造、測試和銷售模擬和嵌入式處理芯片,用于工業(yè)、汽車、個人電子產(chǎn)品、通信設(shè)備和企業(yè)系統(tǒng)等市場。我們致力于通過半導(dǎo)體技術(shù)讓電子產(chǎn)品更經(jīng)濟實用,創(chuàng)造一個更美好的世界。如今,每一代創(chuàng)新都建立在上一代創(chuàng)新的基礎(chǔ)之上,使我們的技術(shù)變得更小巧、更快速、更可靠、更實惠,從而實現(xiàn)半導(dǎo)體在電子產(chǎn)品領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用,這就是工程的進(jìn)步。這正是我們數(shù)十年來乃至現(xiàn)在一直在做的事。 欲了解更多信息,請訪問公司網(wǎng)站www.ti.com.cn。



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