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GaN电源系统性能升级的奥秘

如今,以GaN和SiC为代表的第三代半导体技术风头正劲。与传统的半导体材料相比,GaN和SiC禁带宽度大、击穿电场强度高、电子迁移率高、热导电率大、介电常数小、抗辐射能力强……因此可实现更高的功率密度、更高的电压驱动能力、更快的开关频率、更高的效率、更佳的热性能、更小的尺寸,在高温、高频、高功率、高辐射等功率电子应用领域,不断在向传统的硅基IGBT和MOSFET器件发起强劲的冲击。\” />

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如今,以GaN和SiC为代表的第三代半导体技术风头正劲。与传统的半导体材料相比,GaN和SiC禁带宽度大、击穿电场强度高、电子迁移率高、热导电率大、介电常数小、抗辐射能力强……因此可实现更高的功率密度、更高的电压驱动能力、更快的开关频率、更高的效率、更佳的热性能、更小的尺寸,在高温、高频、高功率、高辐射等功率电子应用领域,不断在向传统的硅基IGBTMOSFET器件发起强劲的冲击。

在这个第三代半导体技术的热潮之中,GaN相较于SiC,表现出了更高的成长性。根据Yole Development公司的预测,全球GaN功率器件市场规模将从2020年的4,600万美元,快速攀升至2026年的11亿美元,平均年复合成长率高达70%!

之所以会获得如此高的加速度,从2020年起GaN器件向智能手机快速充电器市场的成功渗透,功不可没。不过除此之外,GaN器件自身那些颇“招人喜欢”的特质,才是更根本的原因。

GaN的优势

由于特性的不同,GaN和SiC在功率电子领域有着明显的应用市场区隔:SiC器件可以提供高达1,200V的电压等级,并具有高载流能力,因此在汽车和机车牵引逆变器、高功率太阳能发电站和大型三相电网转换器等应用上优势明显;而GaN器件的电压等级通常为600V左右,但具有更高的开关品质、支持更高的开关频率,可谓是10kW以下应用的理想之选,因此应用领域广泛,涵盖消费电子、通信和工业交直流电源、电动汽车车载充电器、电源适配器、伺服驱动功率级等产品。

在10kW以下的市场,尽管SiC器件也有所涉猎,但是相较而言GaN在以下三个方面的优势更为突出。

首先,GaN FET采用的横向结构内没有PN结,因此也就没有体二极管和与其相关的反向恢复过程;而SiC FET中存在体二极管,开关时需要一个反向恢复过程,这就会带来额外的反向恢复损耗和时间,影响开关的功耗和速度。换言之,在10kW以下的应用中,GaN具有更出色的开关品质,可在更高开关频率下工作,这也使得采用更小体积的外围元件成为可能。

GaN电源系统性能升级的奥秘

图1:不同功率电子器件的应用领域

(图源:TI)

其次,SiC器件需要采用更为昂贵的衬底材料以及专用的制造工艺,这会提高其应用的总体成本;而GaN器件可基于标准的Si衬底制成,其后继的降本空间更大。综合评估,GaN在总体拥有成本上,随着时间的推移会更具优势。

GaN电源系统性能升级的奥秘

图2:不同FET技术的成本变化趋势

(图源:TI)

再有,由于GaN器件的制造工艺与传统的Si半导体工艺兼容性强,这就使得在同一器件封装中可以做更多的文章,比如‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍将驱动器和GaN FET集成在一起,以及增加其他更多功能,这无疑会对提升系统性能、优化设计、降低系统成本大有裨益。

集成驱动器

传统GaN器件应用系统都是采用分立的GaN FET和驱动器IC组合而成的,这是因为GaN FET和驱动器是采用不同工艺技术制造的,有的时候还需要选用不同供应商的器件。但是这种分立的架构在面对高压摆率开关应用时,就会遇到挑战,原因是不同器件封装和器件之间互连的焊线和引线会带来寄生电感,而这些寄生电感会导致开关损耗、振铃和可靠性等多方面的问题。

想要消除这些由寄生电感带来的问题,一个行之有效的解决方案就是:将GaN FET和驱动器集成在一个封装内,以大地减少寄生电感。

图3对GaN FET和驱动器分立封装架构和单一封装的集方案进行了比较,后者对于整个系统会带来哪些性能方面的提升,我们下面会做进一步的分析。

GaN电源系统性能升级的奥秘

图3:GaN FET和驱动器分立架构(a)和集成封装(b)方案的比较(图源:TI)

共源电感

由于GaN FET的开关速率很高,这时共源电感这个寄生要素的影响就不得不考虑了。在图3a中,Lcs就是共源电感,在传统的TO-220分立封装中,GaN FET的源和由焊线流至引线,汲取电流和栅极电流都从这里流过。当包含焊线和封装引线的共源电感高于10nH时,就会限制压摆率,而较低的压摆率意味着更长的转换时间,进而导致更高的交叉传导损耗,增加总的开关损耗。

而如果采用图3b中的集成式封装,驱动器的接地直接焊接至GaN FET裸片的源极焊垫,大幅度地缩短了电源环路与栅极环路公用的共源电感路径,使得GaN器件能够以更高的电流压摆率进行开关,降低开关损耗。

栅极环路电感

栅极环路电感包括栅极电感和驱动器接地电感,其对开关性能影响巨大。在GaN FET关闭时,栅极被一个电阻器下拉,这个电阻器阻值要足够低,才不会在开关期间由于漏极被拉高而重新接通。这个电阻器与GaN器件的栅极电容和栅极环路电感组成了一个L-R-C槽路,当栅极环路电感值较大时,其品质因数Q会增加,产生更高的振铃,从而显著增加GaN FET栅极的应力——要知道,FET栅极上的过应力会对可靠性产生不良影响。

栅极环路电感还会影响到关断保持能力。当低管器件的栅极保持在关闭电压而高管导通时,低管漏极电容将一个大电流传送至栅极的保持环路中,这个电流会通过栅极环路电感将栅极VGS推上去,从而增加直通电流,而直通电流的提升会导致交叉传导能量损耗的增加。而且你会发现,当栅极环路电感较高时,减少栅极应力和增强器件关断保持,两者是很难兼得的。

GaN FET+驱动器的集成式封装显然是减少栅极环路电感的好办法。从图3中可以看出,分立架构中(图3a),栅极电感包括驱动器输出焊线Ldrv_out、GaN栅极焊线Lg_gan和PCB迹线Lg_pcb,电感值通常从几nH到10nH以上;而如果是集成式封装(图3b),则可以将栅极电感控制在1nH以下,这就为系统性能整体的优化提供了保障。

保护功能支持

为了确保GaN FET安全可靠工作,保护功能必不可少。比如过温保护可以在感测到温度超过保护阈值时,将GaN FET关闭。当GaN FET和驱动器被集成在一个封装内时,由于引线框架具有良好的导热性,也就能够确保两者的温度比较接近,使得过热保护设计更简捷高效。

对GaN进行电流保护时,需要GaN器件与驱动器之间具有低电感连接,这是因为以较大压摆率进行快速开关动作时,互连线路中额外的电感会导致振铃,并需要较长的消隐时间来防止电流保护失效。而集成式封装方案正好可以减少互连电感,让电流保护电路在需要的时候尽可能快地做出反应。

归纳一下,当我们将GaN FET和驱动器集成在单一封装中之后,可以消除共源电感,实现高电流压摆率;也可以减少栅极环路电感,降低关闭过程中的栅极应力并提升器件的关断保持能力;同时,还有助于支持高效可靠的过热和过流过压等保护功能的实现,可谓是一举多得!

TI的GaN功率级

Texas Instruments(TI)的LMG341x系列GaN功率级器件,就是采用“GaN FET + 驱动器”这种集成化封装,而且在其中还整合了丰富的保护功能,可让开发者充分利用GaN器件的优势,实现更高功率密度和更高效率的功率电子应用设计。

以该系列产品中的LMG341xR150为例,与传统的硅MOSFET相比,其具有超低的输入和输出电容值,零反向恢复特性可将开关损耗降低80%,且实现了更低的EMI和开关节点振铃,这些优势使其可作为图腾柱PFC之类的高密度、高效率拓扑设计的理想解决方案。

GaN电源系统性能升级的奥秘

图4:LMG341xR150的系统框图

(图源:TI)

由于集成栅极驱动器,该器件实现了零共源电感,20ns的传播延迟确保其在MHz级频率下工作,在100V/ns开关条件下(用户可在25V/ns至100V/ns间调节压摆率)的Vds振铃几乎为零,因此LMG341xR150可以作为传统共源共栅GaN和分立GaN FET架构的替代产品,很大幅度地提高电源性能和可靠性,并大大简化设计。

GaN电源系统性能升级的奥秘

图5:LMG341xR150在100V/ns时的开关性能

(图源:TI)

LMG341xR150还提供了强大的保护功能,包括过流保护(响应时间低于100ns,压摆率抗扰性高于150V/ns)、瞬态过压抗扰度、过热保护,以及针对所有电源轨的UVLO保护,且可提供自监控功能,这就省去外部保护组件,有助于简化设计的复杂性,降低系统成本。

毋庸置疑。GaN技术的推广和应用,为功率电子产品的升级提供了巨大的推动力。不过,想让GaN的优势特性充分发挥出来,除了在GaN器件本身的“雕琢”上精益求精,也需要充分考虑到整个电源系统的影响因素。事实证明,将驱动器和GaN FET集成在一个封装中,就是从系统角度进行优化的一个行之有效的方案,可以在提升GaN电源系统性能的同时,也让整个设计过程更快捷!

如果你在用分立式的GaN器件搭建方案时遇到瓶颈,不妨去尝试一下LMG341xR150这种“GaN FET + 驱动器 + 保护功能”的集成式解决方案,一定会有不少“惊喜”等着你!

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原文标题:集成驱动器!原来,GaN电源系统性能升级的奥秘在这里~

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