-使用集成GaN解决方案提高功率密度

氮化镓(GaN)可以实现80Plus钛电源、3.8kW/L电动汽车(EV)汽车充电器、EV充电站等的设计,因此成为电力电子行业的热门话题。在许多应用中,GaN可以提高功率密度和效率,因此取代了传统的硅金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。但是,由于GaN的电气特性和可实现的性能,使用GaN的设计面临着与硅不同的一系列挑战。

根据GaN FET的类型,设备结构会有所不同。GaN FET有三种类型:耗尽型(D-mode)、增强型(E-mode)和通用源(cascode),每种都有自己的门驱动器和系统要求。本文介绍了使用不同类型的GaN FET提高系统设计功率密度需要考虑的最重要因素。此外,还分析了集成栅极驱动器和电压供应调整等功能如何大大简化整体设计。

GaN FET分析

每个GaN电源开关都需要适当的门驱动器。否则,工作台测试过程中可能会发生事故。GaN设备具有非常敏感的栅极,因为它不是传统的MOSFET,而是大功率移频晶体管(HEMT)。HEMT的截面与MOSFET相似,如图1所示,但电流通过二维电子层,而不是通过整个衬底或缓冲层。

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图1 GaN FET横向结构截面

浇口控制不当可能会导致GaN FET的绝缘层、屏障或其他结构部分穿孔。这不仅会使GaN FET在相应的系统条件下无法正常工作,还会对设备本身造成永久损坏。这种敏感度取决于多种类型的GaN设备和广泛的需求。HEMT也没有传统的掺杂FET结构。这种结构形成PN结,产生体二极管。也就是说,内部二极管不会在操作过程中产生穿孔或反向恢复等不必要的动作。

栅极驱动器和偏置电源注意事项

增强的GaN FET在外观上与增强的硅FET非常相似。这一点你已经知道了。在栅门阈值电压为6V的操作条件下,1.5V ~ 1.8V的正电压为FET开放电压。但是,大多数增强型GaN设备的最大栅极阈值电压为7V,一旦超过,可能会造成永久损坏。

传统的硅栅极驱动器在基于GaN的设计中可能无法提供适当的电压调节功能,也可能无法解决高共模暂态耐受问题,因此很多设计师选择LMG1210-Q1等栅极驱动器,这种驱动器是为GaN FET设计的。不管电源电压如何,该设备都提供5V的栅极驱动电压。传统的栅极驱动器必须非常严格地调整栅极驱动器的偏置电源,以防止GaN FET过载。与改进的GaN FET相比,通用源通用网格GaN FET是牺牲易用性的折衷方案,如图2所示。

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图2改进的公共源公共网格耗尽GaN FET图

GaN FET是一个耗尽型部件。这意味着,该设备通常需要在通电和断电时对栅极施加负阈值电压。这是电源开关的大问题。为此,大多数制造商将30V硅场效应管连接到GaN FET封装上。GaN FET的晶格与硅FET的源极相连,打开和关闭硅FET的栅极脉冲。

封装内线程硅FET的主要优点是,使用传统隔离栅驱动器(如UCC5350-Q1)驱动硅FET可以解决许多栅驱动器和偏置电源问题。共源共栅GaN FET的主要缺点是FET的输出电容高,并且由于本体二极管的存在,容易受到反向恢复的影响。硅FET的输出容量GaN FET的输出容量,FET的输出容量增加了20%,这意味着与其他GaN解决方案相比,交换机损失增加了20%以上。另外,在反向传导过程中,硅FET的体二极管传递电流,并在电压极性反转时进行反向恢复。

为了防止硅FET雪崩击穿,园区公文型GaN FET必须以70V/ns(其他GaN解决方案为150V/ns)的压力率运行,从而增加交换机重叠损失。通用源通用网格GaN FET可以简化设计,但可实现的性能受到限制。

通过整合实现更简单的解决方案

通过将栅极驱动器和内置偏置电源调整与耗尽的GaN FET集成,可以解决增强的源和公共网格GaN FET设计中的许多问题。例如,LMG3522R030-Q1是集成了门驱动器和电源管理功能的650v 30MGAN设备,可提高电源密度和效率,同时降低相关风险和工程工作量。枯竭型GaN FET需要在封装内连接硅FET。但是,与公共源公共电网GaN FET的主要区别在于,集成栅极驱动器可以直接驱动GaN FET的电网,硅FET在通电时保持NC状态启动开关。这种直接驱动可以解决共源共栅GaN FET的主要问题,包括高输出容量、反向恢复灵敏度、串联硅FET的雪崩破坏等。集成到LMG3522R030-Q1中的栅极驱动器减少了交换机重叠损失,使GaN FET能够以高达2.2MHz的开关频率工作,并消除了GaN FET使用错误栅极驱动器的风险。图3显示了使用集成LMG3522R030-Q1 GaN FET的半桥配置。

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图3使用UCC25800-Q1变压器驱动器和两个LMG3522R030-Q1 GaN FET的简化GaN半桥配置

集成驱动器减少了解决方案的大小,实现了电力密集型系统。此外,集成压降/升压转换器意味着LMG3522R030-Q1可以在9V ~ 18V的非压力电源上工作,从而大大降低了对偏置电源的要求。为了实施紧凑、经济实惠的系统解决方案,可以将LMG3522R030-Q1与UCC25800-Q1等超低电磁干扰变压器驱动器结合使用,通过多个二次绕组进行开环的电感-电感-容量控制。或者,使用高度集成的紧凑型偏置电源(如UCC14240-Q1 DC/DC模块),实现基于小型印刷电路板的超薄设计。

结语

GaN设备使用适当的栅极驱动器和偏置电源,可以获得系统级的优势,例如150V/ns的开关速度、低开关损耗、适合工业和汽车应用的低功耗系统磁性大小。集成GaN解决方案简化了许多设备级挑战,使您能够专注于更广泛的系统。

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