【導讀】氮化鎵(GaN)半導體的物理特性與硅器件不相上下。傳統(tǒng)的電源供應(yīng)器金屬氧化物半導體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)和絕緣柵極雙極晶體管(IGBT)只有在犧牲效率、外形尺寸和散熱的前提下才能提高功率密度。
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越多的高壓應(yīng)用提供功率。GaN更優(yōu)的開關(guān)能力意味著它可以用更少的器件更有效地轉(zhuǎn)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(yīng)用,實現(xiàn)新型電源和轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。(例如,5G通信電源整流器和服務(wù)器計算)GaN不斷突破新應(yīng)用的界限,并開始取代汽車、工業(yè)和可再生能源市場中傳統(tǒng)硅基電源解決方案。
圖1:硅設(shè)計與GaN設(shè)計的磁性元件功率密度對比
GaN FET:新的集成系統(tǒng)
大型數(shù)據(jù)中心、企業(yè)服務(wù)器和通信交換中心會消耗大量電能。在這些電源系統(tǒng)中,F(xiàn)ET通常與柵極驅(qū)動器分開封裝,因為它們使用不同的工藝技術(shù),并且最終會產(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在高壓擺率下的開關(guān)性能。另一方面,具有集成式柵極驅(qū)動器的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(qū)動器的TI GaN FET。
圖2:具有柵極驅(qū)動器和短路保護功能的600V GaN FET的集成
在數(shù)據(jù)中心和服務(wù)器場中,TI的新型GaN FET使得拓撲結(jié)構(gòu)更簡單(例如圖騰柱功率因數(shù)校正),從而降低了轉(zhuǎn)換損耗,簡化了散熱設(shè)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,這些器件可實現(xiàn)兩倍的功率密度和99%的效率。在考慮長期影響時,這種功率密度和效率節(jié)省變得尤為重要。例如,假設(shè)一個服務(wù)器場通過安裝GaN器件每月提高3%的交流/直流效率。如果該服務(wù)器場每天轉(zhuǎn)換30kW的功率,那么他們每月將節(jié)省超過27kW,約為每月2,000美元,每年24,000美元。
當GaN FET與限流和過熱檢測功能集成時,它可以防止擊穿和熱失控事件。此外,系統(tǒng)接口信號可實現(xiàn)自我監(jiān)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(tǒng)的級聯(lián)以及獨立GaN FET相比,高度集成的GaN器件可以通過集成功能和保護功能來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(qū)動器,寄生電感會導致開關(guān)損耗以及高GaN頻率下的振鈴和可靠性問題。共源電感大大增加了導通損耗。同樣,在高壓擺率下設(shè)計穩(wěn)健過流保護電路既困難又昂貴。但是,由于GaN本身缺乏體二極管,因此可減少開關(guān)節(jié)點上的振鈴,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(jié)構(gòu)與硅器件截然不同。盡管它們可以更迅捷地開關(guān),但是從性能和可靠性的角度來看,仍然面臨獨特的難題。使用分立式GaN器件時,還存在設(shè)計簡便性和物料清單成本之類的問題。
全新的工業(yè)600V GaN器件系列在30-50mΩ功率級集成了GaN FET、驅(qū)動器和保護功能,可為100-10kW的應(yīng)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(yīng)用。
與硅MOSFET不同,GaN可以“類二極管”的方式在第三象限導通,并通過減小電壓降盡可能減少死區(qū)時間。TI在LMG3425R030和LMG3425R050中的理想二極管模式進一步降低了供電應(yīng)用中的損耗。請閱讀應(yīng)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器件已通過了4,000萬小時的器件可靠性測試,包括加速開關(guān)測試和應(yīng)用內(nèi)硬開關(guān)測試。這些可靠性測試均在最大功率、電壓和溫度環(huán)境下的高度加速開關(guān)條件下進行。
結(jié)論
開關(guān)電源的設(shè)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(jié)FET兩倍的功率密度。同樣,它們促進了80Plus Titanium等標準認證,這些標準要求服務(wù)器和通信應(yīng)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(gòu)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,必須進行熟練的測試和封裝。
推薦閱讀: