氮化鎵是電力電子行業的熱門話題，因為它可以為電信電源等應用提供高效設計；電動汽車充電；加熱，通風和空調; 電器；和消費電源適配器。在工業應用中，氮化鎵取代了傳統的硅金屬氧化物半導體場效應晶體管 (MOSFET)，因為它能夠驅動更高的功率密度和高達 99% 的圖騰柱功率因數校正 (PFC) 效率。但由于其電氣特性和它所支持的性能，使用 GaN 進行設計面臨著與硅甚至其他寬帶隙技術（如碳化硅）不同的一系列挑戰。

GaN 與 SiC

雖然 GaN 和 SiC 所服務的功率水平存在一些重疊，但氮化鎵具有使其更適合對高功率密度至關重要的應用的基本特性。在這些應用中，氮化鎵器件可以在 PFC 拓撲中實現 >150 kHz 的開關頻率，在 DC/DC 電源轉換器中實現 >1 MHz 的開關頻率，從而顯著減小系統中的磁體尺寸。通過實現比 SiC 更高的開關速度，GaN 技術可幫助您以更低的成本實現更高的功率密度。下面的圖 1 顯示了不同技術基于其功率和工作頻率能力的比較。

圖 1：根據功率和工作頻率能力比較不同技術

將 GaN FET 用于工業應用

每個氮化鎵電源開關都必須與適當的柵極驅動器配對；否則，在臺上測試時，您可能會遇到冒煙和冒煙！氮化鎵器件可以具有獨特敏感的柵極，因為它們不是經典的 MOSFET，而是高電子遷移率晶體管 (HEMT)。如圖 2 所示，HEMT 的橫截面看起來類似于 MOSFET。但是電流不是流過整個襯底或緩沖層，而是流過二維電子氣層。

圖 2：GaN FET 橫向結構的橫截面

GaN FET的柵極控制不正確會導致絕緣層、勢壘g或其他結構元件的擊穿；該設備不僅會在該系統條件下發生故障，而且還可能永久損壞。這種靈敏度水平需要審查不同類型的氮化鎵設備及其廣泛的需求。HEMT 也沒有形成 pn 結的傳統摻雜 FET 結構，這會導致體二極管。這意味著沒有內部二極管會在運行過程中擊穿或導致不良行為，例如反向恢復。

柵極驅動器和偏置電源注意事項

增強型 (e-mode) GaN FET 看起來與您可能已經熟悉的 e-mode 硅 FET 非常相似。1.5 V 至 1.8 V 的正電壓將開始開啟 FET，大多數工作條件指定為 6 V 柵極閾值工作。然而，大多數 e-mode GaN 器件的最大柵極閾值為 7 V，違反該閾值可能會導致永久性損壞。

如果傳統硅柵極驅動器不能提供適當的電壓調節或無法處理基于 GaN 的設計中的高共模瞬態抗擾度，許多設計人員會選擇專門為使用而設計的柵極驅動器，例如德州儀器 (TI) LMG1210與 GaN FET。LMG1210 提供 5 V 的柵極驅動電壓，與電源電壓無關。傳統的柵極驅動器需要對柵極驅動器的偏置電源進行非常嚴格的調節，這樣它們才不會對 GaN FET 造成過大的壓力。與 e 模式 GaN FET 相比，級聯 GaN FET（如圖 3 所示）是一種易于使用的折衷方案。

圖 3：e 模式和級聯 d 模式 GaN FET 的符號

GaN FET 是一種耗盡型 (d-mode) 器件，這意味著它通常處于開啟狀態，需要負柵極閾值才能關閉器件。這對于電源開關來說是非常成問題的，因此大多數制造商都添加了一個與 GaN FET 串聯的 30V 硅 FET，作為一個封裝出售。GaN FET 的柵極連接到硅 FET 的源極，并將導通和關斷柵極脈沖施加到硅 FET 的柵極。

使用傳統的隔離式柵極驅動器（例如 TI 的 UCC5350）驅動硅 FET，消除了許多柵極驅動器和偏置電源問題。考慮到體二極管的存在，級聯 GaN FET 的最大缺點是 FET 較高的輸出電容和反向恢復的敏感性。硅 FET 的輸出電容增加了 GaN FET 的輸出電容，增加了 20%，這意味著與其他氮化鎵解決方案相比，開關損耗增加了 20% 以上。而在反向導通過程中，硅場效應管的體二極管會導通電流，并在電壓極性翻轉時進行反向恢復。

級聯 GaN FET 以 70 V/ns 的壓擺率工作（而其他氮化鎵解決方案為 150 V/ns）以防止硅 FET 的雪崩擊穿，從而增加開關重疊損耗。盡管級聯 GaN FET 更易于設計，但它們限制了可實現的性能。

集成提供了更簡單的解決方案

柵極驅動器與內置偏置電源調節和 d 模式 GaN FET 的集成解決了 e 模式和級聯 GaN FET 的許多設計挑戰。例如，TI 的 LMG3422R030 是一款 600V 30mΩ 氮化鎵器件，具有集成的柵極驅動器和電源管理功能，可實現更高的功率密度和效率，同時降低所需的風險和工程工作量。因為 GaN FET 是 d 模式，所以有一個硅 FET 與 GaN FET 串聯集成。但與級聯 GaN FET 的最大區別在于，集成柵極驅動器可以直接驅動 GaN FET 的柵極，而硅 FET 在上電時起到常關開關的作用。這種稱為直接驅動的方法消除了級聯 GaN FET 最緊迫的問題，例如更高的輸出電容、反向恢復敏感性和串聯硅 FET 的雪崩擊穿。LMG3422R030 中集成的柵極驅動器可實現非常低的開關重疊損耗，使該 GaN FET 能夠在高達 2.2 MHz 的開關頻率下運行，并消除了將 GaN FET 與錯誤的柵極驅動器配對的風險。圖 4 顯示了使用集成 LMG3422R030 GaN FET 的半橋配置示例。

圖 4：使用 UCC25800 變壓器驅動器和兩個 LMG3422R030 GaN FET 的簡化 GaN 半橋配置

集成驅動器縮小了解決方案尺寸，實現了功率密集型系統。集成降壓-升壓轉換器還意味著 LMG3422R030 可以在 9V 至 18V 非穩壓電源下運行，從而顯著降低偏置電源要求。為了實現緊湊且成本更低的系統解決方案，您可以將 LMG3422R030 與超低電磁干擾變壓器驅動器（例如 TI 的 UCC25800）結合使用，該驅動器具有開環電感-電感-電容控制以及多個次級側繞組。或者，高度集成的緊湊型偏置電源（例如 TI 的 UCC14240 DC/DC 模塊）可以在本地為設備供電，從而實現具有小印刷電路板占位面積的薄型設計。

結論

借助正確的柵極驅動器和偏置電源，氮化鎵器件可以幫助您實現系統級優勢，例如 150 V/ns 的開關速度、降低的開關損耗以及更小的磁性元件尺寸，適用于工業和汽車應用中的大功率系統. 集成的氮化鎵解決方案簡化了您的許多設備級挑戰，因此您可以專注于更廣泛的系統。

　　審核編輯：湯梓紅