【導讀】氮化鎵 (GaN) 高電子遷移率晶體管 (HEMT) 為電源系統(tǒng)設(shè)計人員提供了一個令人興奮的新選擇。與硅 MOSFET 相比，GaN HEMT 使他們能夠顯著降低開關(guān)損耗并提高電源效率，并支持更高的開關(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)計人員提供了一個令人興奮的新選擇。與硅 MOSFET 相比，GaN HEMT 使他們能夠顯著降低開關(guān)損耗并提高電源效率，并支持更高的開關(guān)頻率，從而減小系統(tǒng)尺寸和重量。
但卓越的性能并非沒有代價：GaN HEMT 比硅 MOSFET 更難驅(qū)動。硅 MOSFET 需要一個簡單的 +10 V 驅(qū)動電壓，并且可以處理高達 20 V 的瞬變而沒有損壞的風險，而 GaN HEMT 通常僅能接受 +6 V 的最大柵極驅(qū)動電壓，并指定+5 V 的最佳柵極驅(qū)動電壓。關(guān)斷條件也必須仔細管理，一些 HEMT 需要負驅(qū)動電壓以保證器件不會意外導通。因此，GaN HEMT 需要比硅 MOSFET 更嚴格地控制柵極驅(qū)動器的操作。
這使得結(jié)合了 HEMT 和柵極驅(qū)動器的集成系統(tǒng)級封裝 (SiP) 極具吸引力：HEMT 制造商可以為 HEMT 選擇最佳驅(qū)動器。在集成 SiP 中，制造商還將實施優(yōu)化的柵極驅(qū)動電路。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，柵極走線通過電阻將柵極驅(qū)動器的驅(qū)動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)動器的 COM 引腳
· LS2 是源極支路的雜散電感，它也會影響電源環(huán)路
圖 1：顯示寄生電感來源的簡化柵極驅(qū)動器電路
寄生電感與快速開關(guān)轉(zhuǎn)換時的米勒電容相結(jié)合，會在柵極處引起振鈴和過沖或下沖電壓尖峰。在最好的情況下，這只會產(chǎn)生 EMI 并降低效率；在最壞的情況下，它實際上會損壞晶體管。
一般來說，走線越寬、柵極驅(qū)動回路越短越好。通過將驅(qū)動器和晶體管組合在一個封裝中，柵-源回路保持非常短，從而導致寄生電感大大低于具有分立 HEMT 和驅(qū)動器的電路。
事實上，最好的集成器件在柵極驅(qū)動環(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)的應力，從而提高 HEMT 的可靠性
· 降低驅(qū)動器輸出端的阻尼電阻?？蓪崿F(xiàn)更快的開關(guān)，從而降低開關(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。從而實現(xiàn)：
· 更低的開關(guān)損耗
· 低 EMI
· 更低的漏-源電壓應力，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)計人員目前在市場上可以找到的一些 650 V、150 mΩ HEMT 的封裝尺寸為 8 mm x 8 mm。在應用中，它們需要分立式柵極驅(qū)動器和柵極驅(qū)動電阻器。相比之下，英飛凌的 IGI60F1414A1L 這款 CoolGaN? 集成功率級 (IPS) 器件結(jié)合了半橋功率級，該功率級由兩個 600 V/140 mΩ 增強型 GaN 開關(guān)和專用柵極驅(qū)動器組成，采用散熱增強型 8 mm x 8 mm QFN-28 封裝。
不同的產(chǎn)品針對不同的設(shè)計要求
這些優(yōu)勢，包括更容易的設(shè)計實施、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)動器的同時開始構(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)標準封裝的分立 HEMT 和分立驅(qū)動器不同，集成驅(qū)動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用的需求。這意味著當今市場上的集成 GaN 產(chǎn)品之間存在重要差異。
市場上產(chǎn)品差異最明顯的是：
· 是否針對特定拓撲進行了優(yōu)化
· 器件是否提供調(diào)整操作的方法，以犧牲效率為代價將電磁輻射降至最低
· 除了驅(qū)動器和 HEMT 之外，器件中集成的附加功能
特定拓撲的集成式 GaN 產(chǎn)品
隨著 MasterGaN 系列的推出，意法半導體在集成 GaN 產(chǎn)品市場上占據(jù)了獨特的一席之地。這是因為這些 GaN SiP 率先采用對稱或非對稱配置的集成半橋，并搭配優(yōu)化的 600 V 半橋驅(qū)動器。
意法半導體創(chuàng)建了一個由五個系列組成的 MasterGaN 產(chǎn)品系列，以滿足大多數(shù)客戶使用的各種拓撲及其應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，因為這種拓撲結(jié)構(gòu)要求低邊的導通電阻低于高邊的導通電阻。意法半導體的新參考設(shè)計 EVLONE65W 展示了將 MasterGaN2 與 ST-ONE 一體式數(shù)字電源控制器結(jié)合使用時可以節(jié)省多少空間。EVLONE65W 是一款基于有源鉗位反激拓撲的 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，可實現(xiàn) 30 W/in3 的高功率密度。
圖2：意法半導體推出業(yè)界首款集成GaN半橋產(chǎn)品 MasterGaN系列
對于 LLC 諧振拓撲，MasterGaN1、MasterGaN4 和 MasterGaN5 系列提供對稱配置，支持高達 400 W 的額定功率。
事實上，富昌電子開發(fā)了一個名為 GaNSTar 的功能豐富的開發(fā)平臺，可使用 MasterGaN1 驅(qū)動最大 500 W 的負載。GaNSTar 實現(xiàn)了一個 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)計上運行的精確數(shù)字控制方案。
然后，MasterGaN 產(chǎn)品針對兩種軟開關(guān)拓撲之一進行了優(yōu)化。相比之下，來自GaN 開關(guān)的其他重要供應商的集成 GaN 器件，如安森美在 2022 年底之前發(fā)布的 650 V 集成驅(qū)動器 GaN 產(chǎn)品，以及英飛凌的 IGI60F1414A1L CoolGaN IPS 器件，可處理硬開關(guān)并適用于任何應用拓撲。例如，安森美正在開發(fā)的評估板實施了轉(zhuǎn)換器設(shè)計，包括一個 500 W 圖騰柱功率因數(shù)校正轉(zhuǎn)換器、一個 65 W 反激式轉(zhuǎn)換器和一個 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)計人員能夠訪問晶體管的柵極，并配置柵極驅(qū)動電阻器/電容器，以調(diào)整 dV/dt 比率，如圖 3 所示。這種獨特的功能使設(shè)計人員能夠管理開關(guān)損耗、電磁輻射和過沖之間的平衡，這在對 EMI 高度敏感的應用中非常有價值。然而，有一個折衷：增加可選的外部電阻器會延長柵-源回路，如上所述，這會增加寄生電感。
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，包括用于高密度電源適配器的 65 W 準諧振反激式轉(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)動器與其 GaN HEMT 的集成提供了部分價值，因為它減少了開發(fā)時間和工作量。然而，正如 Power Integrations 所展示的那樣，這種優(yōu)勢可以擴展到驅(qū)動器的集成之外。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-源回路的長度，使設(shè)計人員能夠在高達 110 W 的功率水平下實現(xiàn)非常緊湊和高效的設(shè)計。
Power Integrations 還提供 HiperPFS-5，這是一款帶有集成 750 V PowiGaN GaN 開關(guān)的功率因數(shù)校正控制器。
評估 Power Integrations 產(chǎn)品的一個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，其中包括一個初級側(cè)的 PowiGaN GaN 開關(guān)。TobogGaN 系統(tǒng)采用通用市電輸入運行，滿載時效率高達 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 60 W 的反激式轉(zhuǎn)換器
Power Integrations 并沒有獨占這部分市場：同樣值得注意的是意法半導體的 VIPerGaN 產(chǎn)品。VIPerGaN50 是一款與 GaN 功率開關(guān)配對的準諧振反激式控制器。它采用市電輸入運行，支持高達 50 W 的負載。意法半導體還提供額定功率為 65 W 的 VIPerGaN65 和 100 W 的 VIPerGaN100。
市場對需求刺激的反應
集成 GaN 驅(qū)動器的多樣性反映了制造商試圖把握市場脈搏：隨著對 GaN 產(chǎn)品的需求從低基數(shù)快速增長，目前無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，市場將繼續(xù)快速增長，GaN器件制造商正在大力投資開發(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。
開發(fā)套件
支持的元器件：MasterGaN1
板型號：富昌電子的GaNSTar
說明：
這款效率為 96% 的 LLC 諧振 DC-DC 轉(zhuǎn)換器得益于在意法半導體STM32G4 微控制器上運行的精確數(shù)字控制方案。
支持的元器件：InnoSwitch3-Pro
板型號：富昌電子的TobogGaN
說明：
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行，滿載時效率高達 92%，提供 5 V 至 20 V 之間的可編程輸出。
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