【導(dǎo)讀】氮化鎵 (GaN) 高電子遷移率晶體管 (HEMT) 為電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員提供了一個(gè)令人興奮的新選擇。與硅 MOSFET 相比，GaN HEMT 使他們能夠顯著降低開(kāi)關(guān)損耗并提高電源效率，并支持更高的開(kāi)關(guān)頻率，從而減小系統(tǒng)尺寸和重量。
氮化鎵 (GaN) 高電子遷移率晶體管 (HEMT) 為電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員提供了一個(gè)令人興奮的新選擇。與硅 MOSFET 相比，GaN HEMT 使他們能夠顯著降低開(kāi)關(guān)損耗并提高電源效率，并支持更高的開(kāi)關(guān)頻率，從而減小系統(tǒng)尺寸和重量。
但卓越的性能并非沒(méi)有代價(jià)：GaN HEMT 比硅 MOSFET 更難驅(qū)動(dòng)。硅 MOSFET 需要一個(gè)簡(jiǎn)單的 +10 V 驅(qū)動(dòng)電壓，并且可以處理高達(dá) 20 V 的瞬變而沒(méi)有損壞的風(fēng)險(xiǎn)，而 GaN HEMT 通常僅能接受 +6 V 的最大柵極驅(qū)動(dòng)電壓，并指定+5 V 的最佳柵極驅(qū)動(dòng)電壓。關(guān)斷條件也必須仔細(xì)管理，一些 HEMT 需要負(fù)驅(qū)動(dòng)電壓以保證器件不會(huì)意外導(dǎo)通。因此，GaN HEMT 需要比硅 MOSFET 更嚴(yán)格地控制柵極驅(qū)動(dòng)器的操作。
這使得結(jié)合了 HEMT 和柵極驅(qū)動(dòng)器的集成系統(tǒng)級(jí)封裝 (SiP) 極具吸引力：HEMT 制造商可以為 HEMT 選擇最佳驅(qū)動(dòng)器。在集成 SiP 中，制造商還將實(shí)施優(yōu)化的柵極驅(qū)動(dòng)電路。這種優(yōu)化電路的主要好處是性能和可靠性不受寄生電感的影響，而寄生電感是用分立元件構(gòu)建的電路容易產(chǎn)生的。
圖 1 顯示了寄生電感發(fā)生的位置：
· LS1 是柵極走線引起的寄生電感，柵極走線通過(guò)電阻將柵極驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)引腳連接到晶體管的柵極
· LS3 是反饋回路產(chǎn)生的電感，反饋回路將晶體管的源極引腳連接到柵極驅(qū)動(dòng)器的 COM 引腳
· LS2 是源極支路的雜散電感，它也會(huì)影響電源環(huán)路
圖 1：顯示寄生電感來(lái)源的簡(jiǎn)化柵極驅(qū)動(dòng)器電路
寄生電感與快速開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換時(shí)的米勒電容相結(jié)合，會(huì)在柵極處引起振鈴和過(guò)沖或下沖電壓尖峰。在最好的情況下，這只會(huì)產(chǎn)生 EMI 并降低效率；在最壞的情況下，它實(shí)際上會(huì)損壞晶體管。
一般來(lái)說(shuō)，走線越寬、柵極驅(qū)動(dòng)回路越短越好。通過(guò)將驅(qū)動(dòng)器和晶體管組合在一個(gè)封裝中，柵-源回路保持非常短，從而導(dǎo)致寄生電感大大低于具有分立 HEMT 和驅(qū)動(dòng)器的電路。
事實(shí)上，最好的集成器件在柵極驅(qū)動(dòng)環(huán)路中具有極低的雜散電感。這幾乎消除了柵-源電壓振鈴，并具有以下效果：
· 降低柵極結(jié)構(gòu)的應(yīng)力，從而提高 HEMT 的可靠性
· 降低驅(qū)動(dòng)器輸出端的阻尼電阻。可實(shí)現(xiàn)更快的開(kāi)關(guān)，從而降低開(kāi)關(guān)損耗。
集成器件還在電源環(huán)路中提供較低的雜散電感，從而大大減少漏-源電壓尖峰。從而實(shí)現(xiàn)：
· 更低的開(kāi)關(guān)損耗
· 低 EMI
· 更低的漏-源電壓應(yīng)力，更高的可靠性
最重要的是，集成器件減少了元器件數(shù)量和電路板占用空間。設(shè)計(jì)人員目前在市場(chǎng)上可以找到的一些 650 V、150 mΩ HEMT 的封裝尺寸為 8 mm x 8 mm。在應(yīng)用中，它們需要分立式柵極驅(qū)動(dòng)器和柵極驅(qū)動(dòng)電阻器。相比之下，英飛凌的 IGI60F1414A1L 這款 CoolGaN? 集成功率級(jí) (IPS) 器件結(jié)合了半橋功率級(jí)，該功率級(jí)由兩個(gè) 600 V/140 mΩ 增強(qiáng)型 GaN 開(kāi)關(guān)和專用柵極驅(qū)動(dòng)器組成，采用散熱增強(qiáng)型 8 mm x 8 mm QFN-28 封裝。
不同的產(chǎn)品針對(duì)不同的設(shè)計(jì)要求
這些優(yōu)勢(shì)，包括更容易的設(shè)計(jì)實(shí)施、更低的寄生電感和更小的電路板占用空間，促使所有主要的 GaN HEMT 制造商在提供分立式 HEMT 和 GaN 驅(qū)動(dòng)器的同時(shí)開(kāi)始構(gòu)建集成器件產(chǎn)品組合。
但某些折衷與集成器件的使用有關(guān)。首先是客戶的生產(chǎn)與制造商和器件的聯(lián)系更加緊密：與在許多情況下具有行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)封裝的分立 HEMT 和分立驅(qū)動(dòng)器不同，集成驅(qū)動(dòng)器可能具有更少的引腳或封裝兼容的替代產(chǎn)品。
除此之外，集成還要求制造商決定如何折衷并滿足不同類型應(yīng)用的需求。這意味著當(dāng)今市場(chǎng)上的集成 GaN 產(chǎn)品之間存在重要差異。
市場(chǎng)上產(chǎn)品差異最明顯的是：
· 是否針對(duì)特定拓?fù)溥M(jìn)行了優(yōu)化
· 器件是否提供調(diào)整操作的方法，以犧牲效率為代價(jià)將電磁輻射降至最低
· 除了驅(qū)動(dòng)器和 HEMT 之外，器件中集成的附加功能
特定拓?fù)涞募墒?GaN 產(chǎn)品
隨著 MasterGaN 系列的推出，意法半導(dǎo)體在集成 GaN 產(chǎn)品市場(chǎng)上占據(jù)了獨(dú)特的一席之地。這是因?yàn)檫@些 GaN SiP 率先采用對(duì)稱或非對(duì)稱配置的集成半橋，并搭配優(yōu)化的 600 V 半橋驅(qū)動(dòng)器。
意法半導(dǎo)體創(chuàng)建了一個(gè)由五個(gè)系列組成的 MasterGaN 產(chǎn)品系列，以滿足大多數(shù)客戶使用的各種拓?fù)浼捌鋺?yīng)用所需的額定功率范圍。因此，如圖 2 所示，MasterGaN2 和 MasterGaN3 產(chǎn)品僅用于有源鉗位反激式轉(zhuǎn)換器，因?yàn)檫@種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)要求低邊的導(dǎo)通電阻低于高邊的導(dǎo)通電阻。意法半導(dǎo)體的新參考設(shè)計(jì) EVLONE65W 展示了將 MasterGaN2 與 ST-ONE 一體式數(shù)字電源控制器結(jié)合使用時(shí)可以節(jié)省多少空間。EVLONE65W 是一款基于有源鉗位反激拓?fù)涞?65W USB Power Delivery 3.1 充電器板。EVLONE65W 的尺寸為 5.8 cm x 3.2 cm x 2.0 cm，可實(shí)現(xiàn) 30 W/in3 的高功率密度。
圖2：意法半導(dǎo)體推出業(yè)界首款集成GaN半橋產(chǎn)品 MasterGaN系列
對(duì)于 LLC 諧振拓?fù)?，MasterGaN1、MasterGaN4 和 MasterGaN5 系列提供對(duì)稱配置，支持高達(dá) 400 W 的額定功率。
事實(shí)上，富昌電子開(kāi)發(fā)了一個(gè)名為 GaNSTar 的功能豐富的開(kāi)發(fā)平臺(tái)，可使用 MasterGaN1 驅(qū)動(dòng)最大 500 W 的負(fù)載。GaNSTar 實(shí)現(xiàn)了一個(gè) 96% 效率的 LLC 諧振 DC-DC 轉(zhuǎn)換器。它受益于在電路板的 STM32G4 微控制器和示例性熱設(shè)計(jì)上運(yùn)行的精確數(shù)字控制方案。
然后，MasterGaN 產(chǎn)品針對(duì)兩種軟開(kāi)關(guān)拓?fù)渲贿M(jìn)行了優(yōu)化。相比之下，來(lái)自GaN 開(kāi)關(guān)的其他重要供應(yīng)商的集成 GaN 器件，如安森美在 2022 年底之前發(fā)布的 650 V 集成驅(qū)動(dòng)器 GaN 產(chǎn)品，以及英飛凌的 IGI60F1414A1L CoolGaN IPS 器件，可處理硬開(kāi)關(guān)并適用于任何應(yīng)用拓?fù)?。例如，安森美正在開(kāi)發(fā)的評(píng)估板實(shí)施了轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)，包括一個(gè) 500 W 圖騰柱功率因數(shù)校正轉(zhuǎn)換器、一個(gè) 65 W 反激式轉(zhuǎn)換器和一個(gè) 300 W LLC 轉(zhuǎn)換器。
管理 EMI 與效率的折衷
然而，在另一方面，英飛凌 CoolGaN IPS 系列與市場(chǎng)上所有其他集成 GaN 器件不同。這些英飛凌器件使電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員能夠訪問(wèn)晶體管的柵極，并配置柵極驅(qū)動(dòng)電阻器/電容器，以調(diào)整 dV/dt 比率，如圖 3 所示。這種獨(dú)特的功能使設(shè)計(jì)人員能夠管理開(kāi)關(guān)損耗、電磁輻射和過(guò)沖之間的平衡，這在對(duì) EMI 高度敏感的應(yīng)用中非常有價(jià)值。然而，有一個(gè)折衷：增加可選的外部電阻器會(huì)延長(zhǎng)柵-源回路，如上所述，這會(huì)增加寄生電感。
圖 3：外部電阻器控制 CoolGaN IPS 器件中的 dV/dt 比率
與安森美一樣，英飛凌擁有一系列基于 CoolGaN IPS 系列的參考板設(shè)計(jì)，包括用于高密度電源適配器的 65 W 準(zhǔn)諧振反激式轉(zhuǎn)換器和 65 W 有源鉗位反激式轉(zhuǎn)換器。
更深入的集成以減少元器件數(shù)量和電路板占用空間
優(yōu)化的驅(qū)動(dòng)器與其 GaN HEMT 的集成提供了部分價(jià)值，因?yàn)樗鼫p少了開(kāi)發(fā)時(shí)間和工作量。然而，正如 Power Integrations 所展示的那樣，這種優(yōu)勢(shì)可以擴(kuò)展到驅(qū)動(dòng)器的集成之外。正如其名字一樣，Power Integrations 專注于提供多功能產(chǎn)品。例如，InnoSwitch?3 和 InnoSwitch4 低功耗 AC-DC 轉(zhuǎn)換器是集成了 PowiGaN? GaN 晶體管、同步整流器控制器和 FluxLink 隔離式反饋鏈路的反激式控制器。這些器件最大限度地縮短了柵-源回路的長(zhǎng)度，使設(shè)計(jì)人員能夠在高達(dá) 110 W 的功率水平下實(shí)現(xiàn)非常緊湊和高效的設(shè)計(jì)。
Power Integrations 還提供 HiperPFS-5，這是一款帶有集成 750 V PowiGaN GaN 開(kāi)關(guān)的功率因數(shù)校正控制器。
評(píng)估 Power Integrations 產(chǎn)品的一個(gè)有效方法是使用富昌電子的 TobogGaN 電源板，如圖 4 所示。這是一個(gè)基于 InnoSwitch3-Pro 集成反激式控制器模塊的 60 W AC-DC轉(zhuǎn)換器，其中包括一個(gè)初級(jí)側(cè)的 PowiGaN GaN 開(kāi)關(guān)。TobogGaN 系統(tǒng)采用通用市電輸入運(yùn)行，滿載時(shí)效率高達(dá) 92%，提供 5 V 至 20 V 之間的可編程輸出。
圖 4：富昌電子的 TobogGaN 板是一款額定功率高達(dá) 60 W 的反激式轉(zhuǎn)換器
Power Integrations 并沒(méi)有獨(dú)占這部分市場(chǎng)：同樣值得注意的是意法半導(dǎo)體的 VIPerGaN 產(chǎn)品。VIPerGaN50 是一款與 GaN 功率開(kāi)關(guān)配對(duì)的準(zhǔn)諧振反激式控制器。它采用市電輸入運(yùn)行，支持高達(dá) 50 W 的負(fù)載。意法半導(dǎo)體還提供額定功率為 65 W 的 VIPerGaN65 和 100 W 的 VIPerGaN100。
市場(chǎng)對(duì)需求刺激的反應(yīng)
集成 GaN 驅(qū)動(dòng)器的多樣性反映了制造商試圖把握市場(chǎng)脈搏：隨著對(duì) GaN 產(chǎn)品的需求從低基數(shù)快速增長(zhǎng)，目前無(wú)法確定客戶是否將優(yōu)先考慮寄生電感的效率和最小化，而不是自由控制 dV/dt 率。
可以肯定的是，市場(chǎng)將繼續(xù)快速增長(zhǎng)，GaN器件制造商正在大力投資開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)，以滿足這一需求。令人高興的是，客戶可以期待越來(lái)越多的產(chǎn)品可供選擇，以優(yōu)化他們高效、高密度的基于 GaN 的電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
開(kāi)發(fā)套件
支持的元器件：MasterGaN1
板型號(hào)：富昌電子的GaNSTar
說(shuō)明：
這款效率為 96% 的 LLC 諧振 DC-DC 轉(zhuǎn)換器得益于在意法半導(dǎo)體STM32G4 微控制器上運(yùn)行的精確數(shù)字控制方案。
支持的元器件：InnoSwitch3-Pro
板型號(hào)：富昌電子的TobogGaN
說(shuō)明：
這款 60 W AC-DC轉(zhuǎn)換器基于 Power Integrations InnoSwitch3-Pro 集成反激式控制器模塊。TobogGaN 系統(tǒng)采用通用市電輸入運(yùn)行，滿載時(shí)效率高達(dá) 92%，提供 5 V 至 20 V 之間的可編程輸出。
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