1.前言

傳統(tǒng)的電源主力——金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管 (MOSFET) 和絕緣柵雙極晶體管 (IGBT)——只有在犧牲效率、外形尺寸和散熱的情況下才能提高功率密度。

進(jìn)入氮化鎵 (GaN) 半導(dǎo)體，它可以更快地處理電力電子設(shè)備，并為越來越多的高壓應(yīng)用更有效地提供電力。GaN 更高的開關(guān)能力意味著它可以使用更少的組件更有效地轉(zhuǎn)換更高級別的功率，如下圖 1 所示。 5G 電信整流器和服務(wù)器計(jì)算。GaN 正在推動(dòng)新應(yīng)用的極限，并開始取代汽車、工業(yè)和可再生能源市場中的傳統(tǒng)硅基電源解決方案。

圖 1：比較硅設(shè)計(jì)與 GaN 設(shè)計(jì)的磁性功率密度

2.GaN FET：新的集成場所

大型數(shù)據(jù)中心、企業(yè)服務(wù)器和電信交換中心消耗大量電力。在這些電源系統(tǒng)中，FET 通常與其柵極驅(qū)動(dòng)器分開封裝，因?yàn)樗鼈兪褂貌煌墓に嚰夹g(shù)，最終會(huì)產(chǎn)生額外的寄生電感。

除了更大的外形尺寸外，這還會(huì)限制 GaN 在高轉(zhuǎn)換速率下的開關(guān)性能。另一方面，具有集成柵極驅(qū)動(dòng)器（例如 LMG3425R030）的 TI GaN FET 可以以 150 V/ns 的壓擺率將寄生電感降至最低，同時(shí)與分立式 GaN 相比，損耗降低 66% 并更好地減輕電磁干擾場效應(yīng)管。圖 2 顯示了帶有集成柵極驅(qū)動(dòng)器的 TI GaN FET。

圖 2：600V GaN FET 與柵極驅(qū)動(dòng)器和短路保護(hù)的集成

在數(shù)據(jù)中心和服務(wù)器群中，TI 的新型 GaN FET 支持更簡單的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，例如圖騰柱功率因數(shù)校正，從而降低轉(zhuǎn)換損耗、簡化熱設(shè)計(jì)并縮小散熱器。與相同尺寸的 1U 機(jī)架式服務(wù)器中的硅 MOSFET 相比，這些器件可實(shí)現(xiàn)兩倍的功率密度，同時(shí)實(shí)現(xiàn) 99% 的效率。在考慮長期影響時(shí)，這種功率密度和效率節(jié)省變得尤為重要。例如，假設(shè)服務(wù)器群通過安裝 GaN 設(shè)備每月將其 AC/DC 效率提高 3%。如果該服務(wù)器群每天轉(zhuǎn)換 30 kW 的電力，他們每月將節(jié)省超過 27 kW，這大約是每月 2,000 美元和每年 24,000 美元。

當(dāng) GaN FET 與限流和過熱檢測集成時(shí)，它可以防止擊穿和熱失控事件。此外，系統(tǒng)接口信號可實(shí)現(xiàn)自我監(jiān)控功能。

可靠性是電力電子產(chǎn)品的關(guān)鍵因素。因此，與傳統(tǒng)的級聯(lián)和獨(dú)立 GaN FET 相比，高度集成的 GaN 器件可以通過集成功能和保護(hù)特性更有效地提高可靠性并優(yōu)化高壓電源的性能。

使用外部驅(qū)動(dòng)器時(shí)，寄生電感會(huì)導(dǎo)致開關(guān)損耗以及高 GaN 頻率下的振鈴和可靠性問題。共源電感顯著增加了導(dǎo)通損耗。同樣，以高轉(zhuǎn)換率設(shè)計(jì)穩(wěn)健的過流保護(hù)電路既困難又昂貴。但 GaN 自然沒有體二極管，這導(dǎo)致開關(guān)節(jié)點(diǎn)上的振鈴更少，并消除了任何反向恢復(fù)損耗。

3.具有保護(hù)功能的 GaN 器件

GaN 器件的結(jié)構(gòu)與硅器件非常不同。盡管它們可以更快、更難切換，但從性能和可靠性的角度來看，它們面臨著獨(dú)特的挑戰(zhàn)。使用分立 GaN 器件時(shí)還存在設(shè)計(jì)簡單性和物料清單成本等問題。

全新的工業(yè) 600V GaN 器件系列在 30mΩ 和 50mΩ 功率級上集成了 GaN FET、驅(qū)動(dòng)器和保護(hù)功能，為低于 100 W 到 10 kW 的應(yīng)用提供單芯片解決方案。LMG3422R030、LMG3425R030、LMG3422R050 和 LMG3425R050 GaN 器件面向高功率密度和高效率應(yīng)用。

與硅 MOSFET 不同，GaN 在第三象限中以“類似二極管”的方式導(dǎo)電，并通過降低電壓降來最小化死區(qū)時(shí)間。TI 在 LMG3425R030 和 LMG3425R050 中的理想二極管模式進(jìn)一步最大限度地減少了供電應(yīng)用中的損耗。

這些 GaN 器件已經(jīng)通過了 4000 萬小時(shí)的器件可靠性測試，包括加速和應(yīng)用中硬開關(guān)測試?？煽啃詼y試是在最大功率、電壓和溫度環(huán)境下的高度加速開關(guān)條件下進(jìn)行的。

4.結(jié)論

開關(guān)電源的設(shè)計(jì)人員不斷嘗試在提高效率的同時(shí)提高功率密度。雖然硅 MOSFET 和 IGBT 提供低功率密度和效率，但碳化硅 (SiC) 器件以更高的成本促進(jìn)更高的功率密度和效率。

GaN 器件使解決方案的功率密度是同類最佳超級結(jié) FET 的兩倍。同樣，它們促進(jìn)了對 80 Plus Titanium 等標(biāo)準(zhǔn)的認(rèn)證，這些標(biāo)準(zhǔn)要求服務(wù)器和電信應(yīng)用中的電源具有非常高的效率。

雖然 GaN 是一項(xiàng)顛覆性的電力電子技術(shù)，但它也需要徹底的工藝和材料工程。這需要生長高質(zhì)量的 GaN 晶體、優(yōu)化介電薄膜并在制造過程中實(shí)現(xiàn)非常干凈的界面。精湛的測試和包裝也是必須的。