基于氮化鎵技術 (GaN) 的功率開關器件現已量產，并在實際功率應用中提供高效率和功率密度。本文將探討如何使用 GaN 技術實施高功率解決方案，并提供應用示例，展示 GaN 器件如何在超過 600 伏的電壓下也能有效工作。

GaN 器件在幾個重要方面不同于一流的場效應晶體管 (FET) 和其他硅基組件。與基于硅的方法相比，GaN 器件可實現將功率密度提高兩倍或更多倍的解決方案。因此，可以減小組件和封裝尺寸，從而產生具有更小的 PCB 占位面積的解決方案。GaN 器件還提供比其前代硅器件更高的效率，盡管整體系統成本相對較高。

德州儀器 (TI) 的 GaN 解決方案，例如 LMG5200 (80 V) 和 LMG3410R070(600 V，具有 70-mΩ R DS(on))，已經實現量產，目前已用于許多客戶應用。另一款 GaN 器件 LMG3410R050 目前處于預覽階段，并將在未來幾個月內投入批量生產。

GaN 應用

GaN 器件的典型電源應用如圖 1所示，其中需要將 230 伏交流電源電壓轉換為 48 伏直流電壓，以便為機械臂供電。左側是功率因數校正 (PFC) 級，最高效率為 99%，開關頻率為 1 MHz。紅色突出顯示的是具有高開關頻率和約 15 W/cm 3功率密度的 GaN 半橋示例. PFC 級產生的輸出是恒定的 400 VDC，非常適合為圖中心的 DC/DC LLC 電路供電。事實上，為了實現高效率，LLC 轉換器需要一個恒定的輸入電壓。圖 1 中所示的 DC/DC 轉換器提供 97% 的效率、1 MHz 的開關頻率、1 kW 的隔離輸出功率和 8.5 W/cm 3的功率密度。圖 1 中右側的設備是電機驅動器，這是一個基于 LMG5200 的 4 至 8V/10A、三相、100kHz 逆變器。請注意沒有散熱器。功率密度非常高，為 30 W/cm 3。

圖 1：交流電到電機的電源轉換

為了更好地了解 GaN 技術相對于硅器件的優勢，請考慮圖 2中所示的晶體管。首先，輸入端的柵極電容比類似的基于硅的解決方案低約四倍，由于降低了柵極驅動損耗，從而產生了更高的開關速率和更高的效率。另一個重要的好處是低輸出電容/電荷，這會導致更高的開關頻率，從而有助于降低開關損耗。此外，R DS(on)比硅器件低約兩倍，從而導致更低的傳導損耗。最后，使用該晶體管可以消除集成的“體”二極管，這意味著我們可以減少開關節點上的振鈴并消除任何反向恢復損耗。

圖 2：GaN over Silicon 解決方案的主要優勢

集成驅動器和保護電路

德州儀器 (TI) 將驅動器完全集成到其 GaN 器件中，以減少 PCB 占用空間并簡化整體設計。LMG3410 等完全集成的 GaN 功率器件包括用于降低電磁干擾 (EMI) 的低開關節點振鈴(100V/納秒開關，V ds振鈴接近零)、額定小于 100 ns 的過流保護和過熱關斷. 分立式 GaN 器件需要外部驅動器和保護電路，這意味著額外的成本、更大的 PCB 面積以及重大的設計挑戰。圖 3 總結了具有集成驅動器的器件與分立 GaN 器件相比的優勢。

圖 3：與分立式 GaN 解決方案相比，集成驅動器具有多項優勢。

驅動器偏置電壓是需要仔細評估的第一個方面，因為它對性能和長期設備可靠性都至關重要。正如圖4所示，氮化鎵偏置電壓應被調諧，以保持平均故障時間(MTTF)到一個安全值(即，水平虛線之上，對應于10年的壽命)。

圖 4：MTTF 與柵源電壓 (V(GS))

分立式 GaN 還需要適當的過流保護電路。在高頻和壓擺率下設計穩健的過流保護電路既困難又昂貴。寄生電感會導致開關損耗、振鈴和可靠性問題，尤其是在高 GaN 頻率下。使用集成驅動器，可以實現如圖 5所示的信號形狀。開關時間最短，上升時間為 10 2 V/ns。這意味著信號在不到 4 ns 的時間內從 0 V 上升到 400 V。

圖 5：TI GaN 器件的開關時間

外部過流保護 (OCP) 和擊穿保護電路還需要一個額外的檢測電阻器。可能會選擇具有較高值的電阻器以實現更好的信噪比 (SNR)。因此，功率環路和功率損耗都將增加，因為電壓隨時間的導數 (dV/dt) 會更低，從 100 V/ns 下降到 80 V/ns，并且由于檢測電阻器。圖 6總結了完全集成和定制實施的過流保護電路之間的比較，該圖還顯示了通過并聯兩個 12mΩ 電阻器獲得的電阻分流器示例。

圖 6：集成與外部 OCP 和擊穿保護

GaN 應用：AC/DC 轉換器

一個廣泛的 GaN 應用是 AC/DC 轉換。圖 7說明了用于在工業、醫療、電信和服務器應用中實施電源單元 (PSU) 的典型拓撲。該轉換器具有一個具有寬輸入電壓(85 至 265 VAC)的 PFC 級、一個 400 VDC 的恒定輸出，以及一個能夠提供不同輸出電壓(12、24 和 48 VDC)的 LLC 轉換器。

圖 7：GaN 器件的典型應用是 AC/DC 轉換器。

轉換器的 PFC 級可以根據圖 8左側的原理圖實現，圖中顯示了典型的圖騰柱配置，其中可以使用 600-V GaN 半橋或 G3410。PFC 電感器用于調節與輸入電壓同相的輸入電流。圖 8 的右側顯示了 LLC 電路的原理圖，其中諧振由 L r、C r和 L m的值確定。這個階段可以使用 GaN 器件來實現，例如 LMG5200，這是一種高壓直接驅動 GaNFET，可提供快速開關并最大限度地減少半橋開關之間的死區時間。

圖 8： PFC 和 LCC 級示意圖

該解決方案提供高效率，將損耗降低高達 36%，并實現更高的功率密度(圖騰柱 PFC 與硅相比高達 3 倍)。它還允許使用更少的散熱器和更小的導體和電容器，從而在不增加成本的情況下減輕整個解決方案的重量。

考慮圖 9 中所示的 1.6 kW 圖騰柱 PFC 。該解決方案實現了 1 kW 的輸出功率、高達 140 kHz 的開關頻率、285 VDC 的輸出電壓(源自寬輸入電壓)和大約 10 W/cm 3 的功率密度。

圖 9：使用 LMG3410 GaN 器件的圖騰柱 PFC

如圖 2 中的晶體管所示，低輸出電容 (C OSS ) 很重要，因為它減少了死區時間，增加了電流傳送到輸出的時間。這也意味著更大的磁化電感和更低的循環電流損耗以及更低的變壓器邊緣場損耗。柵極驅動器損耗也可以降低，而系統優化可以通過增加開關頻率、效率和功率密度來實現。圖 10顯示了相關波形，顯示開關頻率 (f SW ) 低于諧振頻率 (f R )。死區時間和循環電流損失都明顯減少。

圖 10：減少半橋開關之間的死區時間

Texas Instruments 的 PMP20637(如圖11所示)是一種高效、高功率密度、輕型諧振轉換器 (LLC) 參考設計。它以固定的 1MHz 開關頻率將 380V 至 400V 輸入轉換為 48V/1kW 輸出。PMP20637 功率級實現了高于 97% 的峰值效率和大約 8.5 W/cm 3的功率密度。

圖 11：TI PMP20637 參考設計

圖 12提供了 GaN 和硅功率 MOSFET 器件效率之間的比較。如圖所示，降低的電容和循環電流顯著提高了低電流負載下的效率。有限的電阻也有助于在較高電流下略微提高效率。

圖 12：GaN 和硅 MOSFET 器件的效率比較

GaN 應用：電機驅動

GaN 器件在電機驅動應用中具有顯著優勢。可以減少或取消散熱器。GaN 還可減少或消除開關節點振蕩，從而降低輻射 EMI，從而無需額外的緩沖網絡。使用 GaN 器件還可以增加脈寬調制 (PWM) 頻率，從而可以驅動極低電感的永磁電機或無刷直流電機。通過最小的轉矩脈動可以獲得更精確的伺服驅動器/步進器定位，并且可以實現頻率高于 1 到 2 kHz 的更好的正弦電壓——這是高速無人機電機的理想解決方案。

圖 13：用于高速電機的 GaN 三相逆變器

圖 13顯示了用于高速電機的 48V/10A 三相逆變器。它包括三個 LMG5200 GaN 半橋。該逆變器接受寬輸入電壓范圍(12 至 60 VDC/400 W)，開關頻率為 100kHz，峰值效率為 98.5%，功率密度為 9.5W/cm 3。

圖 14 中顯示的溫度曲線闡明了我們 48-V/10-A 逆變器的熱性能。如圖所示，不需要散熱器;所有的熱量都通過自然對流消散。當外部溫度為 28°C 且器件在滿載條件下以 100 kHz 開關時，最高溫度達到 106°C。

圖 14：包含三個 LMG5200 GaN 半橋的 48V/10A 逆變器的熱性能

超越 600 V 的 GaN

西門子開發了一個基于 LMG3410R050 GaN 器件的高效電網鏈接的演示項目(圖 15)。多電平雙向 GaN 轉換器將三相電網電源(400 VAC 線對線和 230 VAC 線對中性線)轉換為 700 VDC 電壓。具有 50mΩ R DS(on)的 LMG3410 的額定最大功率為 10 kW，雙向。德州儀器 (TI) 的 Delfino 雙核微控制器控制電源解決方案，還具有 Wi-Fi SimpleLink 連接。

圖 15：基于 LMG3410R050 的高效電網鏈接

該演示應用程序展示了 GaN 器件如何為高達 10 kW 及以上的電源應用提供可擴展的電網解決方案，與硅設計相比，實現了 5 倍的磁性減少和 3 倍的功率組件減少。它還代表了一種用于遙測、控制和系統維護的支持云的解決方案。圖 16總結了所有涉及功率器件的更多目標應用。

圖 16：GaN 器件的其他目標應用

GaN 技術正在實現以其他方式無法實現的新一代電源轉換設計。從交流電到負載點，功率密度最多可提高 3 倍。在開關頻率為 1 MHz 的隔離式 LLC 轉換器中，GaN 技術使磁性元件的尺寸和重量減少了 6 倍。將驅動器和 GaN 集成在一個低電感封裝中，為快速(更高的開關頻率)和可靠(更長的壽命)設備提供了最佳解決方案。

審核編輯：湯梓紅