氮化鎵是電力電子行業(yè)的熱門話題，因?yàn)樗梢詾殡娦?a target="_blank">電源等應(yīng)用提供高效設(shè)計(jì)；電動(dòng)汽車充電；加熱，通風(fēng)和空調(diào); 電器；和消費(fèi)電源適配器。在工業(yè)應(yīng)用中，氮化鎵取代了傳統(tǒng)的硅金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (MOSFET)，因?yàn)樗軌蝌?qū)動(dòng)更高的功率密度和高達(dá) 99% 的圖騰柱功率因數(shù)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(jìn)行設(shè)計(jì)面臨著與硅甚至其他寬帶隙技術(shù)（如碳化硅）不同的一系列挑戰(zhàn)。

GaN 與 SiC

雖然 GaN 和 SiC 所服務(wù)的功率水平存在一些重疊，但氮化鎵具有使其更適合對(duì)高功率密度至關(guān)重要的應(yīng)用的基本特性。在這些應(yīng)用中，氮化鎵器件可以在 PFC 拓?fù)渲袑?shí)現(xiàn) >150 kHz 的開(kāi)關(guān)頻率，在 DC/DC 電源轉(zhuǎn)換器中實(shí)現(xiàn) >1 MHz 的開(kāi)關(guān)頻率，從而顯著減小系統(tǒng)中的磁體尺寸。通過(guò)實(shí)現(xiàn)比 SiC 更高的開(kāi)關(guān)速度，GaN 技術(shù)可幫助您以更低的成本實(shí)現(xiàn)更高的功率密度。下面的圖 1 顯示了不同技術(shù)基于其功率和工作頻率能力的比較。

圖 1：根據(jù)功率和工作頻率能力比較不同技術(shù)

將 GaN FET 用于工業(yè)應(yīng)用

每個(gè)氮化鎵電源開(kāi)關(guān)都必須與適當(dāng)?shù)?a target="_blank">柵極驅(qū)動(dòng)器配對(duì)；否則，在臺(tái)上測(cè)試時(shí)，您可能會(huì)遇到冒煙和冒煙！氮化鎵器件可以具有獨(dú)特敏感的柵極，因?yàn)樗鼈儾皇墙?jīng)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(lái)類似于 MOSFET。但是電流不是流過(guò)整個(gè)襯底或緩沖層，而是流過(guò)二維電子氣層。

圖 2：GaN FET 橫向結(jié)構(gòu)的橫截面

GaN FET的柵極控制不正確會(huì)導(dǎo)致絕緣層、勢(shì)壘g或其他結(jié)構(gòu)元件的擊穿；該設(shè)備不僅會(huì)在該系統(tǒng)條件下發(fā)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(shè)備及其廣泛的需求。HEMT 也沒(méi)有形成 pn 結(jié)的傳統(tǒng)摻雜 FET 結(jié)構(gòu)，這會(huì)導(dǎo)致體二極管。這意味著沒(méi)有內(nèi)部二極管會(huì)在運(yùn)行過(guò)程中擊穿或?qū)е虏涣夹袨椋绶聪蚧謴?fù)。

柵極驅(qū)動(dòng)器和偏置電源注意事項(xiàng)

增強(qiáng)型 (e-mode) GaN FET 看起來(lái)與您可能已經(jīng)熟悉的 e-mode 硅 FET 非常相似。1.5 V 至 1.8 V 的正電壓將開(kāi)始開(kāi)啟 FET，大多數(shù)工作條件指定為 6 V 柵極閾值工作。然而，大多數(shù) e-mode GaN 器件的最大柵極閾值為 7 V，違反該閾值可能會(huì)導(dǎo)致永久性損壞。

如果傳統(tǒng)硅柵極驅(qū)動(dòng)器不能提供適當(dāng)?shù)碾妷赫{(diào)節(jié)或無(wú)法處理基于 GaN 的設(shè)計(jì)中的高共模瞬態(tài)抗擾度，許多設(shè)計(jì)人員會(huì)選擇專門為使用而設(shè)計(jì)的柵極驅(qū)動(dòng)器，例如德州儀器 (TI) LMG1210與 GaN FET。LMG1210 提供 5 V 的柵極驅(qū)動(dòng)電壓，與電源電壓無(wú)關(guān)。傳統(tǒng)的柵極驅(qū)動(dòng)器需要對(duì)柵極驅(qū)動(dòng)器的偏置電源進(jìn)行非常嚴(yán)格的調(diào)節(jié)，這樣它們才不會(huì)對(duì) GaN FET 造成過(guò)大的壓力。與 e 模式 GaN FET 相比，級(jí)聯(lián) 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(jí)聯(lián) d 模式 GaN FET 的符號(hào)

GaN FET 是一種耗盡型 (d-mode) 器件，這意味著它通常處于開(kāi)啟狀態(tài)，需要負(fù)柵極閾值才能關(guān)閉器件。這對(duì)于電源開(kāi)關(guān)來(lái)說(shuō)是非常成問(wèn)題的，因此大多數(shù)制造商都添加了一個(gè)與 GaN FET 串聯(lián)的 30V 硅 FET，作為一個(gè)封裝出售。GaN FET 的柵極連接到硅 FET 的源極，并將導(dǎo)通和關(guān)斷柵極脈沖施加到硅 FET 的柵極。

使用傳統(tǒng)的隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器（例如 TI 的 UCC5350）驅(qū)動(dòng)硅 FET，消除了許多柵極驅(qū)動(dòng)器和偏置電源問(wèn)題。考慮到體二極管的存在，級(jí)聯(lián) GaN FET 的最大缺點(diǎn)是 FET 較高的輸出電容和反向恢復(fù)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(kāi)關(guān)損耗增加了 20% 以上。而在反向?qū)ㄟ^(guò)程中，硅場(chǎng)效應(yīng)管的體二極管會(huì)導(dǎo)通電流，并在電壓極性翻轉(zhuǎn)時(shí)進(jìn)行反向恢復(fù)。

級(jí)聯(lián) 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(kāi)關(guān)重疊損耗。盡管級(jí)聯(lián) GaN FET 更易于設(shè)計(jì)，但它們限制了可實(shí)現(xiàn)的性能。

集成提供了更簡(jiǎn)單的解決方案

柵極驅(qū)動(dòng)器與內(nèi)置偏置電源調(diào)節(jié)和 d 模式 GaN FET 的集成解決了 e 模式和級(jí)聯(lián) GaN FET 的許多設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。例如，TI 的 LMG3422R030 是一款 600V 30mΩ 氮化鎵器件，具有集成的柵極驅(qū)動(dòng)器和電源管理功能，可實(shí)現(xiàn)更高的功率密度和效率，同時(shí)降低所需的風(fēng)險(xiǎn)和工程工作量。因?yàn)?GaN FET 是 d 模式，所以有一個(gè)硅 FET 與 GaN FET 串聯(lián)集成。但與級(jí)聯(lián) GaN FET 的最大區(qū)別在于，集成柵極驅(qū)動(dòng)器可以直接驅(qū)動(dòng) GaN FET 的柵極，而硅 FET 在上電時(shí)起到常關(guān)開(kāi)關(guān)的作用。這種稱為直接驅(qū)動(dòng)的方法消除了級(jí)聯(lián) GaN FET 最緊迫的問(wèn)題，例如更高的輸出電容、反向恢復(fù)敏感性和串聯(lián)硅 FET 的雪崩擊穿。LMG3422R030 中集成的柵極驅(qū)動(dòng)器可實(shí)現(xiàn)非常低的開(kāi)關(guān)重疊損耗，使該 GaN FET 能夠在高達(dá) 2.2 MHz 的開(kāi)關(guān)頻率下運(yùn)行，并消除了將 GaN FET 與錯(cuò)誤的柵極驅(qū)動(dòng)器配對(duì)的風(fēng)險(xiǎn)。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(qū)動(dòng)器和兩個(gè) LMG3422R030 GaN FET 的簡(jiǎn)化 GaN 半橋配置

集成驅(qū)動(dòng)器縮小了解決方案尺寸，實(shí)現(xiàn)了功率密集型系統(tǒng)。集成降壓-升壓轉(zhuǎn)換器還意味著 LMG3422R030 可以在 9V 至 18V 非穩(wěn)壓電源下運(yùn)行，從而顯著降低偏置電源要求。為了實(shí)現(xiàn)緊湊且成本更低的系統(tǒng)解決方案，您可以將 LMG3422R030 與超低電磁干擾變壓器驅(qū)動(dòng)器（例如 TI 的 UCC25800）結(jié)合使用，該驅(qū)動(dòng)器具有開(kāi)環(huán)電感-電感-電容控制以及多個(gè)次級(jí)側(cè)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(shè)備供電，從而實(shí)現(xiàn)具有小印刷電路板占位面積的薄型設(shè)計(jì)。

結(jié)論

借助正確的柵極驅(qū)動(dòng)器和偏置電源，氮化鎵器件可以幫助您實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)優(yōu)勢(shì)，例如 150 V/ns 的開(kāi)關(guān)速度、降低的開(kāi)關(guān)損耗以及更小的磁性元件尺寸，適用于工業(yè)和汽車應(yīng)用中的大功率系統(tǒng). 集成的氮化鎵解決方案簡(jiǎn)化了您的許多設(shè)備級(jí)挑戰(zhàn)，因此您可以專注于更廣泛的系統(tǒng)。

　　審核編輯：湯梓紅