【導讀】如今，以GaN和SiC為代表的第三代半導體技術風頭正勁。與傳統的半導體材料相比，GaN和SiC禁帶寬度大、擊穿電場強度高、電子遷移率高、熱導電率大、介電常數小、抗輻射能力強……因此可實現更高的功率密度、更高的電壓驅動能力、更快的開關頻率、更高的效率、更佳的熱性能、更小的尺寸，在高溫、高頻、高功率、高輻射等功率電子應用領域，不斷在向傳統的硅基IGBT和MOSFET器件發起強勁的沖擊。
在這個第三代半導體技術的熱潮之中，GaN相較于SiC，表現出了更高的成長性。根據Yole Development公司的預測，全球GaN功率器件市場規模將從2020年的4,600萬美元，快速攀升至2026年的11億美元，平均年復合成長率高達70％！
之所以會獲得如此高的加速度，從2020年起GaN器件向智能手機快速充電器市場的成功滲透，功不可沒。不過除此之外，GaN器件自身那些頗“招人喜歡”的特質，才是更根本的原因。
GaN的優勢
由于特性的不同，GaN和SiC在功率電子領域有著明顯的應用市場區隔：SiC器件可以提供高達1,200V的電壓等級，并具有高載流能力，因此在汽車和機車牽引逆變器、高功率太陽能發電站和大型三相電網轉換器等應用上優勢明顯；而GaN器件的電壓等級通常為600V左右，但具有更高的開關品質、支持更高的開關頻率，可謂是10kW以下應用的理想之選，因此應用領域廣泛，涵蓋消費電子、通信和工業交直流電源、電動汽車車載充電器、電源適配器、伺服驅動功率級等產品。
在10kW以下的市場，盡管SiC器件也有所涉獵，但是相較而言GaN在以下三個方面的優勢更為突出。
首先，GaN FET采用的橫向結構內沒有PN結，因此也就沒有體二極管和與其相關的反向恢復過程；而SiC FET中存在體二極管，開關時需要一個反向恢復過程，這就會帶來額外的反向恢復損耗和時間，影響開關的功耗和速度。換言之，在10kW以下的應用中，GaN具有更出色的開關品質，可在更高開關頻率下工作，這也使得采用更小體積的外圍元件成為可能。
圖1：不同功率電子器件的應用領域
（圖源：TI）
其次，SiC器件需要采用更為昂貴的襯底材料以及專用的制造工藝，這會提高其應用的總體成本；而GaN器件可基于標準的Si襯底制成，其后繼的降本空間更大。綜合評估，GaN在總體擁有成本上，隨著時間的推移會更具優勢。
圖2：不同FET技術的成本變化趨勢
（圖源：TI）
再有，由于GaN器件的制造工藝與傳統的Si半導體工藝兼容性強，這就使得在同一器件封裝中可以做更多的文章，比如???????????將驅動器和GaN FET集成在一起，以及增加其他更多功能，這無疑會對提升系統性能、優化設計、降低系統成本大有裨益。
集成驅動器
傳統GaN器件應用系統都是采用分立的GaN FET和驅動器IC組合而成的，這是因為GaN FET和驅動器是采用不同工藝技術制造的，有的時候還需要選用不同供應商的器件。但是這種分立的架構在面對高壓擺率開關應用時，就會遇到挑戰，原因是不同器件封裝和器件之間互連的焊線和引線會帶來寄生電感，而這些寄生電感會導致開關損耗、振鈴和可靠性等多方面的問題。
想要消除這些由寄生電感帶來的問題，一個行之有效的解決方案就是：將GaN FET和驅動器集成在一個封裝內，以大地減少寄生電感。
圖3對GaN FET和驅動器分立封裝架構和單一封裝的集方案進行了比較，后者對于整個系統會帶來哪些性能方面的提升，我們下面會做進一步的分析。
圖3：GaN FET和驅動器分立架構（a）和集成封裝（b）方案的比較（圖源：TI）
共源電感
由于GaN FET的開關速率很高，這時共源電感這個寄生要素的影響就不得不考慮了。在圖3a中，Lcs就是共源電感，在傳統的TO-220分立封裝中，GaN FET的源和由焊線流至引線，汲取電流和柵極電流都從這里流過。當包含焊線和封裝引線的共源電感高于10nH時，就會限制壓擺率，而較低的壓擺率意味著更長的轉換時間，進而導致更高的交叉傳導損耗，增加總的開關損耗。
而如果采用圖3b中的集成式封裝，驅動器的接地直接焊接至GaN FET裸片的源極焊墊，大幅度地縮短了電源環路與柵極環路公用的共源電感路徑，使得GaN器件能夠以更高的電流壓擺率進行開關，降低開關損耗。
柵極環路電感
柵極環路電感包括柵極電感和驅動器接地電感，其對開關性能影響巨大。在GaN FET關閉時，柵極被一個電阻器下拉，這個電阻器阻值要足夠低，才不會在開關期間由于漏極被拉高而重新接通。這個電阻器與GaN器件的柵極電容和柵極環路電感組成了一個L-R-C槽路，當柵極環路電感值較大時，其品質因數Q會增加，產生更高的振鈴，從而顯著增加GaN FET柵極的應力——要知道，FET柵極上的過應力會對可靠性產生不良影響。
柵極環路電感還會影響到關斷保持能力。當低管器件的柵極保持在關閉電壓而高管導通時，低管漏極電容將一個大電流傳送至柵極的保持環路中，這個電流會通過柵極環路電感將柵極VGS推上去，從而增加直通電流，而直通電流的提升會導致交叉傳導能量損耗的增加。而且你會發現，當柵極環路電感較高時，減少柵極應力和增強器件關斷保持，兩者是很難兼得的。
GaN FET+驅動器的集成式封裝顯然是減少柵極環路電感的好辦法。從圖3中可以看出，分立架構中（圖3a），柵極電感包括驅動器輸出焊線Ldrv_out、GaN柵極焊線Lg_gan和PCB跡線Lg_pcb，電感值通常從幾nH到10nH以上；而如果是集成式封裝（圖3b），則可以將柵極電感控制在1nH以下，這就為系統性能整體的優化提供了保障。
保護功能支持
為了確保GaN FET安全可靠工作，保護功能必不可少。比如過溫保護可以在感測到溫度超過保護閾值時，將GaN FET關閉。當GaN FET和驅動器被集成在一個封裝內時，由于引線框架具有良好的導熱性，也就能夠確保兩者的溫度比較接近，使得過熱保護設計更簡捷高效。
對GaN進行電流保護時，需要GaN器件與驅動器之間具有低電感連接，這是因為以較大壓擺率進行快速開關動作時，互連線路中額外的電感會導致振鈴，并需要較長的消隱時間來防止電流保護失效。而集成式封裝方案正好可以減少互連電感，讓電流保護電路在需要的時候盡可能快地做出反應。
歸納一下，當我們將GaN FET和驅動器集成在單一封裝中之后，可以消除共源電感，實現高電流壓擺率；也可以減少柵極環路電感，降低關閉過程中的柵極應力并提升器件的關斷保持能力；同時，還有助于支持高效可靠的過熱和過流過壓等保護功能的實現，可謂是一舉多得！
TI的GaN功率級
Texas Instruments（TI）的LMG341x系列GaN功率級器件，就是采用“GaN FET + 驅動器”這種集成化封裝，而且在其中還整合了豐富的保護功能，可讓開發者充分利用GaN器件的優勢，實現更高功率密度和更高效率的功率電子應用設計。
以該系列產品中的LMG341xR150為例，與傳統的硅MOSFET相比，其具有超低的輸入和輸出電容值，零反向恢復特性可將開關損耗降低80%，且實現了更低的EMI和開關節點振鈴，這些優勢使其可作為圖騰柱PFC之類的高密度、高效率拓撲設計的理想解決方案。
圖4：LMG341xR150的系統框圖
（圖源：TI）
由于集成柵極驅動器，該器件實現了零共源電感，20ns的傳播延遲確保其在MHz級頻率下工作，在100V/ns開關條件下（用戶可在25V/ns至100V/ns間調節壓擺率）的Vds振鈴幾乎為零，因此LMG341xR150可以作為傳統共源共柵GaN和分立GaN FET架構的替代產品，很大幅度地提高電源性能和可靠性，并大大簡化設計。
圖5：LMG341xR150在100V/ns時的開關性能
（圖源：TI）
LMG341xR150還提供了強大的保護功能，包括過流保護（響應時間低于100ns，壓擺率抗擾性高于150V/ns）、瞬態過壓抗擾度、過熱保護，以及針對所有電源軌的UVLO保護，且可提供自監控功能，這就省去外部保護組件，有助于簡化設計的復雜性，降低系統成本。
毋庸置疑。GaN技術的推廣和應用，為功率電子產品的升級提供了巨大的推動力。不過，想讓GaN的優勢特性充分發揮出來，除了在GaN器件本身的“雕琢”上精益求精，也需要充分考慮到整個電源系統的影響因素。事實證明，將驅動器和GaN FET集成在一個封裝中，就是從系統角度進行優化的一個行之有效的方案，可以在提升GaN電源系統性能的同時，也讓整個設計過程更快捷！
如果你在用分立式的GaN器件搭建方案時遇到瓶頸，不妨去嘗試一下LMG341xR150這種“GaN FET + 驅動器 + 保護功能”的集成式解決方案，一定會有不少“驚喜”等著你！
來源：貿澤電子
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