德州儀器 (TI ) 推出了適用于汽車和工業應用的下一代 650 和 600V 氮化鎵 (GaN) 場效應晶體管 (FET)。新的GaN FET系列通過使用 GaN-on-Si 技術和集成的快速開關 2.2-MHz 柵極驅動器，根據數據表規格實現了 99% 的效率

電動汽車的日益普及正在改變行業，對緊湊輕巧的電源管理解決方案的強烈需求同時又不影響車輛性能。同時，設計更高效、更具成本效益的工業解決方案將減少排放，為更清潔的環境做出貢獻。

在接受 Power/EE Times 采訪時，德州儀器 (TI) 負責高壓電源的副總裁 Steve Lambouses 和 GaN 產品線經理 Steve Tom 強調了使用新型 GaN FET 如何減小工業電源管理解決方案的尺寸環境，尤其是電動汽車 (EV) 中的充電器和 DC/DC 轉換器，它們將有助于延長電池壽命。

電力行業趨勢

世界對更多能源的需求將繼續增長，而產生更多電力的能力將更加有限。德州儀器強調半導體創新將彌合差距，使世界能夠以更少的功率做更多的事情。“我們可以看到該行業的 5 個趨勢，”Lambouses 說。他補充說：“功率密度，增加功率密度可以在降低系統成本的情況下實現更多系統功能。低 EMI，最大限度地減少對其他系統組件的干擾，并簡化工程師的設計和認證流程。”

Tom 補充說：“其他主題包括延長電池壽命的低 Iq、提高精密模擬應用可靠性的低噪聲和精度，以及在高壓和安全關鍵應用中實現最高工作電壓和最高可靠性的隔離。”

雙極晶體管和 FET 晶體管很難滿足高功率需求。只有在犧牲效率、外形尺寸和散熱的情況下，它們才能提高功率密度——低效的開關會導致嚴重的汽車損耗。采用寬帶隙材料的快速開關技術帶來的好處包括減小系統尺寸和成本，以及提高效率。“所以為了優化效率，我們通過集成來提高開關頻率，我們可以做到這一點，因為封裝電感很小，”湯姆說。

GaN 是一種用途極為廣泛的半導體材料，可以在高溫和高壓下工作——有助于有效滿足各種通信和工業設計的要求。電動汽車領域的挑戰之一是快速高效的充電。GaN 技術可以提供快速充電，從而更有效地使用能源。

在電動汽車中，高效的能源管理涉及電池及其充電、電池本身的安全性以及產品的成本效益。鋰離子電池可能占到汽車成本的 30%，“基于 GaN 的解決方案可以將損耗降低 40% 以上，”Lambouses 說。由于 GaN 的開關能力更強，它可以用更少的組件更有效地轉換更高的功率電平，如下圖 1 所示。

圖 1：比較硅設計與 GaN 設計的磁性功率密度（來源：德州儀器）

氮化鎵場效應管解決方案

在大規模電源系統中，由于工藝技術不同，“標準”FET 與其柵極驅動器分開使用。這會產生額外的寄生電感，限制 GaN 的開關性能。共源電感顯著增加了開關損耗。

TI 新的工業 600 和 650-V（后者用于汽車）GaN 器件系列在 30 和 50-mΩ 功率級集成了 GaN FET、驅動器和保護功能，為低于 100 W 到 22 千瓦。

“具有集成柵極驅動器的 GaN FET，例如 LMG3425R030，可以在 150 V/ns 的壓擺率下最大限度地減少寄生電感，同時提供比分立 GaN FET 低 66% 的三象限損耗和更高的 EMI 衰減，”Tom 說.

圖 2：600V GaN FET 與柵極驅動器和短路保護的集成（來源：德州儀器）

在考慮長期影響時，正如 TI 所強調的那樣，這種實施與效率特別相關。新型氮化鎵 FET 可降低轉換損耗并簡化熱控制設計。

“過流和過熱保護功能的集成通過提供自我監控來保護系統免受常見電源故障情況的影響，”Lambouses 說。

高度集成的氮化鎵器件通過集成功能和保護特性，可以更有效地提高可靠性并優化高壓電源的性能。與硅 MOSFET 不同，GaN 在第三象限中以“類二極管”模式導電，并通過降低電壓降來最大限度地減少死區時間。TI 在 LMG3425R030 和 LMG3425R050 中的理想二極管模式進一步最大限度地減少了供電應用中的損耗。

“這些解決方案的主要優勢可以概括為以下幾點：在 1U 機架式服務器中，它可實現兩倍的功率輸出，與硅 MOSFET 相比功率密度增加一倍；在 AC/DC 供電應用中效率高達 99%；用于電源單元 (PSU) 的集成式高速保護和數字溫度，”Tom 說。

死區時間損耗與器件的反向導通電壓有關。對于 Si MOSFET，該電壓由其體二極管的特性決定。對于 GaN，反向導通電壓取決于第三象限特性（圖 3 和 4）。

圖 3：GaN FET 橫向結構的橫截面（來源：德州儀器）

圖 4：GaN 在第一和第三象限中的簡化行為（來源：德州儀器）

LMG3522R030-Q1 和 LMG3525R030-Q1 650-V 是該系列的汽車級。“它們通過 2.2 MHz 集成柵極驅動器減小了車載電動汽車 (EV) 的尺寸，”湯姆說。

所有版本都具有可在各種應用中快速實施的電路板。它們配置為具有插座式外部連接，以便與外部功率級輕松連接。

結論

開關電源設計人員不斷尋求在提高效率的同時增加功率密度。GaN 器件使解決方案具有比超級結 FET 更高的功率密度。但同時，它們還需要仔細的電路、工藝和材料工程：即高質量 GaN 晶體生長、介電優化和測試優化，通過新的 JEDEC JC-70 指南進行氮化鎵功率轉換的開關可靠性評估程序設備。

審核編輯：郭婷