使用GaN則可以更快地處理電源電子器件并更有效地為越來(lái)越多的高壓應用提供功率。GaN更優(yōu)的開(kāi)關(guān)能力意味著(zhù)它可以用更少的器件更有效地轉換更高水平的功率，如圖1所示。GaN半導體能夠在交流/直流供電應用，實(shí)現新型電源和轉換系統。（例如，5G通信電源整流器和服務(wù)器計算）GaN不斷突破新應用的界限，并開(kāi)始取代汽車(chē)、工業(yè)和可再生能源市場(chǎng)中傳統硅基電源解決方案。

 

圖1：硅設計與GaN設計的磁性元件功率密度對比

 

GaN FET：新的集成系統

 

大型數據中心、企業(yè)服務(wù)器和通信交換中心會(huì )消耗大量電能。在這些電源系統中，FET通常與柵極驅動(dòng)器分開(kāi)封裝，因為它們使用不同的工藝技術(shù)，并且最終會(huì )產(chǎn)生額外的寄生電感。

 

除了導致較大的形狀尺寸外，這還可能限制GaN在高壓擺率下的開(kāi)關(guān)性能。另一方面，具有集成式柵極驅動(dòng)器的TI GaN FET（例如LMG3425R030）憑借150V/ns的壓擺率可更大程度降低寄生電感，與分立式GaN相比，其損耗降低了66%，并更大程度地降低了電磁干擾。圖2顯示了具有集成式柵極驅動(dòng)器的TI GaN FET。

 

圖2：具有柵極驅動(dòng)器和短路保護功能的600V GaN FET的集成

 

在數據中心和服務(wù)器場(chǎng)中，TI的新型GaN FET使得拓撲結構更簡(jiǎn)單（例如圖騰柱功率因數校正），從而降低了轉換損耗，簡(jiǎn)化了散熱設計并縮小了散熱器的尺寸。與相同尺寸的1U機架式服務(wù)器中的硅MOSFET相比，這些器件可實(shí)現兩倍的功率密度和99%的效率。在考慮長(cháng)期影響時(shí)，這種功率密度和效率節省變得尤為重要。例如，假設一個(gè)服務(wù)器場(chǎng)通過(guò)安裝GaN器件每月提高3%的交流/直流效率。如果該服務(wù)器場(chǎng)每天轉換30kW的功率，那么他們每月將節省超過(guò)27kW，約為每月2,000美元，每年24,000美元。

 

當GaN FET與限流和過(guò)熱檢測功能集成時(shí)，它可以防止擊穿和熱失控事件。此外，系統接口信號可實(shí)現自我監測功能。

 

可靠性是電源電子器件中的關(guān)鍵因素。因此，與傳統的級聯(lián)以及獨立GaN FET相比，高度集成的GaN器件可以通過(guò)集成功能和保護功能來(lái)更有效地提高可靠性并優(yōu)化高壓電源的性能。

 

使用外部驅動(dòng)器，寄生電感會(huì )導致開(kāi)關(guān)損耗以及高GaN頻率下的振鈴和可靠性問(wèn)題。共源電感大大增加了導通損耗。同樣，在高壓擺率下設計穩健過(guò)流保護電路既困難又昂貴。但是，由于GaN本身缺乏體二極管，因此可減少開(kāi)關(guān)節點(diǎn)上的振鈴，并消除任何反向恢復損耗。

 

具有保護功能的GaN器件

 

GaN器件的結構與硅器件截然不同。盡管它們可以更迅捷地開(kāi)關(guān)，但是從性能和可靠性的角度來(lái)看，仍然面臨獨特的難題。使用分立式GaN器件時(shí)，還存在設計簡(jiǎn)便性和物料清單成本之類(lèi)的問(wèn)題。

 

全新的工業(yè)600V GaN器件系列在30-50mΩ功率級集成了GaN FET、驅動(dòng)器和保護功能，可為100-10kW的應用提供單芯片解決方案。LMG3422R030、LMG3425R030、LMG3422R050和LMG3425R050GaN器件面向高功率密度和高效率應用。

 

與硅MOSFET不同，GaN可以“類(lèi)二極管”的方式在第三象限導通，并通過(guò)減小電壓降盡可能減少死區時(shí)間。TI在LMG3425R030和LMG3425R050中的理想二極管模式進(jìn)一步降低了供電應用中的損耗。請閱讀應用手冊《使用理想二極管模式優(yōu)化GaN性能》了解更多信息。

 

這些GaN器件已通過(guò)了4,000萬(wàn)小時(shí)的器件可靠性測試，包括加速開(kāi)關(guān)測試和應用內硬開(kāi)關(guān)測試。這些可靠性測試均在最大功率、電壓和溫度環(huán)境下的高度加速開(kāi)關(guān)條件下進(jìn)行。

 

結論

 

開(kāi)關(guān)電源的設計人員一直在努力提高功率密度和效率。硅MOSFET和IGBT的功率密度和效率較低，碳化硅(SiC)器件的功率密度和效率更高，但成本也更高。

 

GaN器件使解決方案能夠獲得優(yōu)質(zhì)超結FET兩倍的功率密度。同樣，它們促進(jìn)了80Plus Titanium等標準認證，這些標準要求服務(wù)器和通信應用具有非常高的電源效率。

 

盡管GaN是電源電子器件領(lǐng)域的一項革命性技術(shù)，但仍需要仔細的工藝和材料工程。這要求構建高質(zhì)量GaN晶體，優(yōu)化電介質(zhì)膜并在制造工藝中確保非常干凈的界面。除此之外，必須進(jìn)行熟練的測試和封裝。

 

 

推薦閱讀：