最近可能遇到了“GaN”，它正在一些關(guān)鍵的功率轉(zhuǎn)換應(yīng)用中取代硅 (Si)。在本博客系列“如何使用 GaN 進(jìn)行設(shè)計(jì)”中，我將了解氮化鎵 (GaN) 與 Si 的不同之處，以及使用 GaN 創(chuàng)建電源設(shè)計(jì)時(shí)的關(guān)鍵考慮因素。

在所有電力電子應(yīng)用中，功率密度是關(guān)鍵指標(biāo)之一，這主要由更高能效和更高開關(guān)頻率驅(qū)動(dòng)。隨著基于硅的技術(shù)接近其發(fā)展極限，設(shè)計(jì)工程師現(xiàn)在正尋求寬禁帶技術(shù)如氮化鎵(GaN)來(lái)提供方案。

對(duì)于新技術(shù)而言，GaN本質(zhì)上比其將取代的技術(shù)(硅)成本低。GaN器件與硅器件是在同一工廠用相同的制造程序生產(chǎn)出。因此，由于GaN器件小于等效硅器件，因此每個(gè)晶片可以生產(chǎn)更多的器件，從而降低了每個(gè)晶片的成本。

GaN有許多性能優(yōu)勢(shì)，包括遠(yuǎn)高于硅的電子遷移率(3.4eV對(duì)比1.1eV)，這使其具有比硅高1000倍的電子傳導(dǎo)效率的潛力。值得注意的是，GaN的門極電荷(QG)較低，并且由于必須在每個(gè)開關(guān)周期內(nèi)對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)充，因此GaN能夠以高達(dá)1 MHz的頻率工作，效率不會(huì)降低，而硅則難以達(dá)到100 kHz以上。此外，與硅不同，GaN沒(méi)有體二極管，其在AlGaN / GaN邊界表面的2DEG可以沿相反方向傳導(dǎo)電流(稱為“第三象限”操作)。因此，GaN沒(méi)有反向恢復(fù)電荷(QRR)，使其非常適合硬開關(guān)應(yīng)用。

不久前，我開始研究LMG5200的定義和評(píng)估，這是一款集成驅(qū)動(dòng)器的 GaN 半橋場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (FET)。

LMG5200器件集成了 80V、10A驅(qū)動(dòng)器和GaN半橋功率級(jí)，采用增強(qiáng)模式氮化鎵(GaN)FET提供了一套集成功率級(jí)解決方案。該器件包含兩個(gè)80V GaN FET，它們由采用半橋配罝的同一高頻GaN FET驅(qū)動(dòng)器提供驅(qū)動(dòng)。

GaN FET在功率轉(zhuǎn)換方面的優(yōu)勢(shì)顯著，因?yàn)槠浞聪蚧謴?fù)電荷幾乎為零，輸入電容Ciss也非常小。所有器件 均安裝在一個(gè)充全無(wú)鍵合線的封裝平臺(tái)上，盡可能減少了封裝寄生元件數(shù)。LMG5200器件采用6mm x 8mm x 2mm無(wú)鉛封裝，可輕松安裝在PCB上。該器件的輸入與TTL邏輯兼容，無(wú)論VCC電壓如 何，都能夠承受高達(dá)12V的輸入電壓6專有的自舉電 壓鉗位技術(shù)確保了增強(qiáng)模式GaN FET的柵極電壓處于安全的工作范圍內(nèi)。

該器件配有用戶友好型接口且更為出色，進(jìn)一步提升了 分立式GaN FET的優(yōu)勢(shì)6對(duì)于具有高頻、高效操作及小尺寸要求的應(yīng)用而言，該器件堪稱理想的解決方案。與TPS53632G控制器搭配使用時(shí)，LMG5200能 夠直接將48V電壓轉(zhuǎn)換為負(fù)載點(diǎn)電壓(0.5-1.5V)。

它的優(yōu)點(diǎn)是什么?更高的效率、更小的外形尺寸、新的應(yīng)用——不勝枚舉。在我使用這款新設(shè)備的第一天，我意識(shí)到我們正在處理一些完全開箱即用的東西。這種材料速度如此之快，以至于設(shè)計(jì)電源板的舊技術(shù)需要徹底重新審視，一種回到白板的方法。

很明顯，要從該設(shè)備中獲得最佳性能，我不能簡(jiǎn)單地用LMG5200替換硅半橋。我必須優(yōu)化電源回路，以確保整個(gè)電源回路的電感在 400pH 左右或更低。這意味著使用電感消除技術(shù)，確保返回路徑直接位于下方并盡可能靠近，除了總線的大容量電容器外，還使用低電感的去耦電容器。

低功率回路電感最大限度地減少了開關(guān)節(jié)點(diǎn)中的過(guò)沖和振鈴量。這有助于提高效率，也避免了違反設(shè)備絕對(duì)最大額定值的任何機(jī)會(huì)。

這份關(guān)于布局技術(shù)的應(yīng)用筆記深入探討了如何優(yōu)化電源環(huán)路布局的細(xì)節(jié)。

測(cè)量 GaN 器件的性能也需要特殊考慮。我必須使探頭接地盡可能靠近開關(guān)節(jié)點(diǎn)，。

為了最大限度地發(fā)揮具有LMG5200等集成驅(qū)動(dòng)器的 GaN 半橋的優(yōu)勢(shì)，務(wù)必特別注意功率環(huán)路電感以獲得最高性能。