電力電子世界在1959年取得突破，當(dāng)時(shí)Dawon Kahng和Martin Atalla在貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)。首款商業(yè)MOSFET在五年后發(fā)布生產(chǎn)，從那時(shí)起，幾代MOSFET晶體管使電源設(shè)計(jì)人員實(shí)現(xiàn)了雙極性早期產(chǎn)品不可能實(shí)現(xiàn)的性能和密度級(jí)別。

然而，近年來，這些已取得的進(jìn)步開始逐漸弱化，為下一個(gè)突破性技術(shù)創(chuàng)造了空間和需求。這就是氮化鎵(GaN)引人注目的地方。

作為一種寬帶隙晶體管技術(shù)，GaN正在創(chuàng)造一個(gè)令人興奮的機(jī)會(huì)，以實(shí)現(xiàn)電力電子系統(tǒng)達(dá)到新的性能和效率。GaN的固有優(yōu)勢為工程師開啟了重新考慮功率密度的方法，這些方法在以前并不可能實(shí)現(xiàn)，如今能滿足世界日益增長的電力需求。在這篇文章中，我將探討如何實(shí)現(xiàn)。

為何選擇GaN?

當(dāng)涉及功率密度時(shí)，GaN為硅MOSFET提供了幾個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)和優(yōu)勢，包括：

•較低的RDS(on)：如表1所示，GaN的MOSFET面積為RDS(on)的一半。這直接使電路中傳導(dǎo)損耗降低了50%。因此，您可以在設(shè)計(jì)中使用較小的散熱器和更簡單的熱管理。

•較低的柵極和輸出電荷：GaN提供較低的柵極電荷。與MOSFET的4nC相比，典型的中壓器件具有大約1nC的柵極電荷(表2)。較低的柵極電荷使設(shè)計(jì)具有更快的導(dǎo)通時(shí)間和轉(zhuǎn)換速率，同時(shí)減少損耗。

類似地，GaN具有顯著較低的輸出電荷(表2)，這為每個(gè)設(shè)計(jì)帶來雙重優(yōu)勢。首先，開關(guān)損耗下降多達(dá)80%，結(jié)合較低的傳導(dǎo)損耗，對(duì)功率密度有重大和積極的影響。第二，根據(jù)拓?fù)浜蛻?yīng)用，設(shè)計(jì)可在更高的開關(guān)頻率運(yùn)行高達(dá)10倍。這大大減少了磁性材料的尺寸以及設(shè)計(jì)的尺寸和占用空間，同時(shí)將整體效率提高了15%。

•零反向恢復(fù)：硅MOSFET在50至60 nC范圍內(nèi)具有典型的反向恢復(fù)電荷，具體取決于其尺寸和特性。當(dāng)MOSFET關(guān)斷時(shí)，體二極管中的反向恢復(fù)電荷(Qrr)產(chǎn)生損失，從而增加了總的系統(tǒng)開關(guān)損耗。這些損耗與開關(guān)頻率成正比。如圖1所示，較高頻率下的Qrr損耗使得MOSFET在許多應(yīng)用中變得不切實(shí)際。

1. 相比GaN替代品，MOSFET的反向恢復(fù)電荷(Qrr)損耗在較高頻率下要大得多。

相比之下，GaN具有零反向恢復(fù)和零Qrr損耗，使GaN FET成為硬切換應(yīng)用的理想選擇，如稍后的示例所示。

驅(qū)動(dòng)GaN

不管所用的GaN類型如何，柵極驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)對(duì)于實(shí)現(xiàn)最佳的整體性能至關(guān)重要。一個(gè)糟糕的柵極驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的一個(gè)很好的類比是在一級(jí)方程式賽車上使用街胎。

在設(shè)計(jì)柵級(jí)驅(qū)動(dòng)器時(shí)，請(qǐng)注意以下幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)：

•偏置電壓：重要的是將柵極偏置為最佳電壓以獲得最佳的開關(guān)性能，同時(shí)保護(hù)柵極免受潛在的過壓狀況。偏置電平隨類型和GaN制造工藝而異，需要相應(yīng)設(shè)置。具有鉗位或過壓保護(hù)電路也極其關(guān)鍵。

•環(huán)路電感：由于GaN的高壓擺率和開關(guān)頻率，設(shè)計(jì)中的任何寄生電感都會(huì)在系統(tǒng)中引入損耗和振鈴。許多電感源存在于GaN FET和驅(qū)動(dòng)器封裝中的引線和內(nèi)部接合線以及印刷電路板(PCB)跡線的設(shè)計(jì)中。雖然可將其減少，但很難消除它們。諸如LMG3410的GaN功率級(jí)解決方案將驅(qū)動(dòng)器和GaN FET集成到單個(gè)封裝中，顯著降低了總體電感。

•傳播延遲：短傳播延遲和良好匹配(針對(duì)半橋拓?fù)?對(duì)于高頻操作非常重要。 25 ns的傳播延遲和1到2 ns的匹配是高頻(1 MHz或更高)設(shè)計(jì)的一個(gè)很好的起點(diǎn)。

2. 如通過優(yōu)化的驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)的GaN開關(guān)波形所證明的，GaN可以非常高速的轉(zhuǎn)換速率工作，并且使交換節(jié)點(diǎn)上的振鈴最小。

通過最佳的柵極驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)和PCB布局，您可以非常高的轉(zhuǎn)換速率(> 100 V / ns)運(yùn)行GaN，使交換節(jié)點(diǎn)上的振鈴最小。圖2所示為這種設(shè)計(jì)的開關(guān)波形的示例。

設(shè)計(jì)實(shí)例：下一代PFC解決方案

由于其獨(dú)特的特性，GaN幫助電源設(shè)計(jì)人員克服了不同系統(tǒng)和應(yīng)用中功率密度方面最困難的挑戰(zhàn)。這些好處不是來自于在現(xiàn)有設(shè)計(jì)中簡單地將MOSFET替換為等效GaN。GaN使得以前不可能使用硅MOSFET實(shí)現(xiàn)的新電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和/或工作模式變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。顯著的優(yōu)勢導(dǎo)致新一代的產(chǎn)品尺寸更小、效率更高。我們來看一個(gè)這樣的示例。

功耗因數(shù)校正(PFC)在消耗大于75W的每個(gè)電氣或電子產(chǎn)品中是強(qiáng)制性的。PFC是位于電源和系統(tǒng)其余部分之間的第一個(gè)電源轉(zhuǎn)換模塊，并在任何給定的工作點(diǎn)承載整個(gè)負(fù)載。因此，它直接影響整個(gè)系統(tǒng)的大小和效率。

已設(shè)計(jì)出不同拓?fù)涞囊淮a(chǎn)品，旨在減小尺寸，同時(shí)滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的效率。例如，在80 Plus中定義的效率水平對(duì)于鈦級(jí)電源需要96%的效率。

3. 雙橋PFC拓?fù)渫ǔＳ糜谠S多大功率設(shè)計(jì)。

許多大功率系統(tǒng)(> 1 kW)采用雙橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(圖3)。隨著碳化硅(SiC)二極管和最新一代的超結(jié)MOSFET晶體管的引入，我們已經(jīng)看到過去十年中功率密度方面的改進(jìn)。然而，這些改進(jìn)已達(dá)到效率和功率密度的停滯期。

功率密度的顯著增加需要一種替代方法：

•電源開關(guān)的數(shù)量

•濾波電感的數(shù)量

•電感器的尺寸

•散熱片和冷卻元件的尺寸

一種替代方案是連續(xù)導(dǎo)通模式圖騰柱拓?fù)?。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)充分利用了GaN的所有關(guān)鍵特性，最終導(dǎo)致尺寸更小、工作頻率更高的設(shè)計(jì)(圖4)。GaN的零反向恢復(fù)對(duì)于實(shí)現(xiàn)該拓?fù)涮貏e重要。

4. 圖騰柱PFC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在降低工作頻率的同時(shí)降低設(shè)計(jì)尺寸，充分利用了GaN的零反向恢復(fù)。

表3總結(jié)了這種無橋PFC設(shè)計(jì)的幾個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)，并做了進(jìn)一步闡述：

•電源開關(guān)：與雙橋拓?fù)湎啾?，圖騰柱PFC替代了兩個(gè)超結(jié)MOSFET和兩個(gè)僅具有兩個(gè)GaN器件的SiC二極管。

•濾波電感器：該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)消除了功率級(jí)中的一個(gè)龐大的濾波電感。電感器的去除及功率開關(guān)數(shù)量的減少也提高了整體系統(tǒng)的可靠性。

•尺寸：由于GaN在高得多的開關(guān)頻率(通常為40至60 kHz條件下的MOSFET的四倍)條件下工作，您可使用較小的濾波電感。此外，GaN的較低開關(guān)損耗使得設(shè)計(jì)人員能夠在功率級(jí)中顯著縮小散熱片的尺寸。

•效率：精心設(shè)計(jì)的圖騰柱PFC的高效率達(dá)99%以上。為了說明這一點(diǎn)，在整個(gè)PFC階段，1 kW的功耗消耗不到10W。

•成本：由于其現(xiàn)有制造成本，GaN器件的溢價(jià)將更高。然而，鑒于此處節(jié)省的成本，系統(tǒng)總成本應(yīng)與現(xiàn)有的MOSFET設(shè)計(jì)相當(dāng)。

現(xiàn)代圖騰柱設(shè)計(jì)還利用數(shù)字功率控制器進(jìn)一步提高效率，總諧波失真和其他關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)。數(shù)字控制器(如C2000和UCD3138)可以智能地控制功率級(jí)操作，實(shí)時(shí)優(yōu)化效率，并響應(yīng)線路和負(fù)載條件。

結(jié)論

我們見證了需要更高功率的諸如云計(jì)算、5G電信基礎(chǔ)設(shè)施、風(fēng)電和太陽能電站及電動(dòng)和混合動(dòng)力汽車等行業(yè)的日益增長的需求。隨著硅MOSFET達(dá)到停滯期，設(shè)計(jì)人員正在探索寬帶隙技術(shù)，如GaN的下一個(gè)設(shè)計(jì)。

如PFC示例所示，GaN不僅提高了效率，而且將電源的尺寸大大降低了30%至50%。您可以在隔離或非隔離的dc-dc轉(zhuǎn)換器、逆變器和其它電源轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)中使用GaN，以顯著降低功耗、部件數(shù)量、重量和尺寸。