本文轉(zhuǎn)載自：PSD功率系統(tǒng)設(shè)計(jì)，3月11日。

原文作者：Kamal Varadarajan；Chris Lee，Power Integrations

Power Integrations公司的PowiGaN技術(shù)實(shí)現(xiàn)了1250V和1700V GaN開關(guān)器件，使設(shè)計(jì)人員能夠構(gòu)建高密度、高效率的電源。

基于GaN的功率半導(dǎo)體因其卓越的材料特性，成為高效功率變換器的理想選擇。然而，很少有制造商提供額定電壓超過650V的GaN HEMT器件。主要挑戰(zhàn)在于，構(gòu)建在硅襯底上的GaN器件需要非常厚的緩沖層，這帶來了顯著的工藝難度。

因此，傳統(tǒng)上，需要1200V及以上更高電壓的寬禁帶器件的應(yīng)用一直依賴SiC開關(guān)管。雖然SiC滿足電壓要求，但GaN有一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢：高得多的開關(guān)頻率。這使得在保持高效率的同時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)下一代系統(tǒng)（如AI數(shù)據(jù)中心）所需的功率密度。

Power Integrations采用其專有PowiGaN技術(shù)制造的GaN HEMT能夠獨(dú)特地克服這些限制。它們在實(shí)用器件中實(shí)現(xiàn)了高達(dá)1700V的額定電壓，成為1200V SiC及更高電壓器件的有力替代方案。

使用1250V PowiGaN共源共柵開關(guān)，電源設(shè)計(jì)人員可以指定1000V的工作峰值VDS，同時(shí)允許行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的80%降額。對(duì)于高達(dá)1360V的應(yīng)用，則可選用1700V的PowiGaN器件。

1250V/1700V

GaN HEMT共源共柵開關(guān)

1250V/1700V GaN HEMT是常通型耗盡型器件。為了實(shí)現(xiàn)安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)所需的常閉型操作，每個(gè)GaN HEMT與一個(gè)低壓硅MOSFET串聯(lián)，形成共源共柵配置（見圖1）。這種方法無需p型GaN柵極層，避免了閾值電壓漂移和相關(guān)的不穩(wěn)定性問題——確保了長期可靠性。

圖1：高壓PowiGaN共源共柵開關(guān)示意圖

典型的1250V和1700V PowiGaN共源共柵開關(guān)的關(guān)態(tài)特性如圖2所示，展示了遠(yuǎn)超過其額定電壓的穩(wěn)定漏電流行為。與相同額定值的硅或SiC器件相比，這提供了出色的瞬態(tài)過壓能力和顯著的安全裕量。

圖2：1250V和1700V PowiGaN共源共柵開關(guān)的典型關(guān)態(tài)特性

確保現(xiàn)場可靠性

已對(duì)1250V PowiGaN GaN HEMT進(jìn)行了廣泛的可靠性評(píng)估——涵蓋靜態(tài)和動(dòng)態(tài)條件：

1.高溫反偏(HTRB)

這項(xiàng)關(guān)態(tài)應(yīng)力測試評(píng)估了在高漏源偏壓下的長期穩(wěn)定性，并在強(qiáng)電場下長時(shí)間加速熱激活的失效機(jī)制。根據(jù)JEDEC JEP198 HTRB規(guī)范對(duì)PowiGaN HEMT進(jìn)行的測試顯示了出色的器件漏電流穩(wěn)定性。

此外，在加速VDS條件下對(duì)內(nèi)在關(guān)態(tài)失效率進(jìn)行了建模。結(jié)果預(yù)測，在1000V/100℃條件下運(yùn)行超過1.5萬年，累積失效率為1ppm，展示了巨大的可靠性裕量。

2.高壓高濕高溫反偏(HV-H3TRB)

對(duì)于高可靠性部署，受控的高濕度環(huán)境被用作額外的應(yīng)力因素。HV-H3TRB測試檢查鈍化層、有源區(qū)、終端設(shè)計(jì)和底層結(jié)構(gòu)中的失效模式。同樣，當(dāng)按照J(rèn)EDEC標(biāo)準(zhǔn)JESD22-A101進(jìn)行測試時(shí)，1250V PowiGaN開關(guān)保持了與HTRB測試期間觀察到的相同的漏電流穩(wěn)定性。

3.動(dòng)態(tài)高溫工作壽命(DHTOL)

高壓開關(guān)期間的動(dòng)態(tài)RDS(ON)穩(wěn)定性對(duì)GaN器件至關(guān)重要。設(shè)計(jì)不佳的GaN HEMT在高壓開關(guān)轉(zhuǎn)換過程中，由于電子捕獲效應(yīng)，通常會(huì)表現(xiàn)出顯著的RDS(ON)增加，從而降低效率并可能導(dǎo)致硬故障。

PowiGaN 1250V GaN共源共柵開關(guān)的RDS(ON)在1000V/125℃條件下經(jīng)過1000小時(shí)的DHTOL應(yīng)力監(jiān)測，顯示出與最先進(jìn)的650V GaN HEMT相當(dāng)?shù)姆€(wěn)定性能。這表明PowiGaN HEMT可以擴(kuò)展到遠(yuǎn)超過1200V，而不會(huì)影響性能——包括關(guān)鍵的硬開關(guān)能力——使其能夠穩(wěn)健地用于高可靠性應(yīng)用。

英偉達(dá)800VDC AI數(shù)據(jù)中心架構(gòu)

越來越明顯的是，高壓直流(HVDC)配電將取代AI數(shù)據(jù)中心中傳統(tǒng)的54 V直流總線架構(gòu)。由谷歌、Meta和微軟發(fā)起、開放計(jì)算項(xiàng)目(OCP)提出的一項(xiàng)提案定義了一個(gè)800VDC電源系統(tǒng)。這種新架構(gòu)改變了配電方式，將每個(gè)機(jī)架的功率從傳統(tǒng)的100kW以下擴(kuò)展到1MW。

行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者已經(jīng)朝著這個(gè)方向邁進(jìn)。例如，英偉達(dá)已經(jīng)公開討論和評(píng)估了用于下一代AI數(shù)據(jù)中心的800VDC架構(gòu)。通過采用直接的800VDC輸入，計(jì)算機(jī)架不再需要傳統(tǒng)的集成式AC-DC PSU級(jí)。取而代之的是，機(jī)架接受雙導(dǎo)體800VDC饋電，并在機(jī)架內(nèi)部使用高壓隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器為xPU子系統(tǒng)供電。這種方法消除了機(jī)架級(jí)的AC-DC轉(zhuǎn)換模塊，簡化了機(jī)架設(shè)計(jì)，同時(shí)提升了性能。

簡化的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、快速的開關(guān)速度和穩(wěn)健的電壓能力相結(jié)合，使得1250V和1700V PowiGaN技術(shù)非常適合這些新架構(gòu)。

以下部分將比較1250V和1700V PowiGaN器件的價(jià)值主張——首先與堆疊式650V e-mode GaN解決方案比較，然后與1200V SiC MOSFET比較。

1250V PowiGaN

vs. 650V e-mode GaN

圖3比較了使用650V e-mode GaN與使用1250V PowiGaN的800VDC輸入轉(zhuǎn)12.5V輸出定比LLC拓?fù)洹煞N解決方案都利用快速開關(guān)GaN器件，在800VDC輸入下以超過500 kHz的頻率工作。然而，對(duì)于650V e-mode GaN，需要堆疊式LLC轉(zhuǎn)換器來處理800VDC輸入。

在初級(jí)側(cè)，該架構(gòu)使用兩個(gè)串聯(lián)的堆疊半橋，需要四個(gè)650V e-mode GaN開關(guān)管。在次級(jí)側(cè)，輸出并聯(lián)，因此每個(gè)半橋支撐總輸出功率的一半。這種堆疊拓?fù)湟肓艘恍┨魬?zhàn)：

1.輸入電壓不平衡：正常工作期間的輸入電壓不平衡必須小心管理。如果半橋之間發(fā)生不平衡，GaN器件上的應(yīng)力電壓可能超過預(yù)期的~400V。這會(huì)由于HEMT的2DEG溝道內(nèi)的電流捕獲效應(yīng)，導(dǎo)致更明顯的動(dòng)態(tài)RDS(ON)退化。

2.復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)：每個(gè)半橋需要一個(gè)專用的高側(cè)驅(qū)動(dòng)器和隔離偏置電源，增加了成本、空間和設(shè)計(jì)復(fù)雜性。

3.效率更低且成本更高：使用相同RDS(ON)的器件，與使用1250V PowiGaN的單個(gè)半橋相比，堆疊拓?fù)涞膫鲗?dǎo)損耗更高。事實(shí)上，PowiGaN可以使用RDS(ON)高出2倍但成本更低的HEMT，同時(shí)仍能達(dá)到相同的效率水平。

圖3：(a) 基于650V e-mode GaN的堆疊半橋LLC

(b) 基于1250V PowiGaN的單半橋LLC

在半橋LLC應(yīng)用中，650V e-mode GaN與1250V PowiGaN的差異總結(jié)于表1。

表1：650V e-mode GaN與1250V PowiGaN IC在半橋LLC中的比較

用于1MHz LLC操作的1250V PowiGaN vs. 1200V SiC MOSFET

為了實(shí)現(xiàn)高功率密度，LLC轉(zhuǎn)換器的高頻工作至關(guān)重要。最大工作頻率取決于幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)：

QOSS（輸出電荷）

Qg（總柵極電荷）

TD(OFF)（關(guān)斷延遲時(shí)間）

這些參數(shù)的值越低，越能直接提高LLC設(shè)計(jì)的效率和功率密度。

表2比較了1250V PowiGaN與1200V SiC MOSFET。結(jié)論很明確：與具有相似RDS(ON)的1200V SiC MOSFET器件相比，1250V PowiGaN使得LLC轉(zhuǎn)換器能夠?qū)崿F(xiàn)顯著更高的工作頻率。

表2：1200V SiC MOS與1250V PowiGaN的參數(shù)比較

用于HVDC AI數(shù)據(jù)中心的

1700V PowiGaN

2024年，Power Integrations推出了業(yè)界首款基于1700V PowiGaN的產(chǎn)品，旨在支持1000VDC標(biāo)稱輸入電壓，同時(shí)滿足HVDC AI數(shù)據(jù)中心架構(gòu)的輔助電源要求。

InnoMux2-EP產(chǎn)品系列中的IMX2353F器件（25℃時(shí)520mΩ）（圖4）將初級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)控制器、保護(hù)和感測元件以及符合安全要求的反饋機(jī)制(FluxLink)集成到單個(gè)IC中，該IC采用1700V PowiGaN開關(guān)管。通過獨(dú)立調(diào)節(jié)和保護(hù)多達(dá)三個(gè)輸出，它消除了多個(gè)后級(jí)轉(zhuǎn)換級(jí)。

IMX2353F器件專門在DCM SR-ZVS模式下運(yùn)行，具有初級(jí)開關(guān)管的零電壓開關(guān)(ZVS)特性。這顯著降低了導(dǎo)通期間的寄生電容放電損耗，改善了熱性能——這對(duì)于800VDC至1000VDC輸入范圍來說是一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢。

圖4：IMX2353F的典型應(yīng)用

借助1700V PowiGaN和SR-ZVS控制，在1000V輸入和滿功率下，溫升限制在僅22.3℃，為HVDC AI數(shù)據(jù)中心實(shí)現(xiàn)了緊湊、低溫運(yùn)行的輔助電源。該器件特別適用于800VDC PSU中日益流行的48 V風(fēng)扇實(shí)現(xiàn)方案，這些方案同時(shí)也需要12V系統(tǒng)輸出。