用氮化镓重新考虑功率密度

电力电子世界在1959年取得突破，当时Dawon Kahng和MarTIn Atalla在贝尔实验室发明了金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）。首款商业MOSFET在五年后发布生产，从那时起，几代MOSFET晶体管使电源设计人员实现了双极性早期产品不可能实现的性能和密度级别。

然而，近年来，这些已取得的进步开始逐渐弱化，为下一个突破性技术创造了空间和需求。这就是氮化镓（GaN）引人注目的地方。

作为一种宽带隙晶体管技术，GaN正在创造一个令人兴奋的机会，以实现电力电子系统达到新的性能和效率。GaN的固有优势为工程师开启了重新考虑功率密度的方法，这些方法在以前并不可能实现，如今能满足世界日益增长的电力需求。在这篇文章中，我将探讨如何实现。

为何选择GaN？

当涉及功率密度时，GaN为硅MOSFET提供了几个主要优点和优势，包括：

•较低的RDS（on）：如表1所示，GaN的MOSFET面积为RDS（on）的一半。这直接使电路中传导损耗降低了50％。因此，您可以在设计中使用较小的散热器和更简单的热管理。

表1：R DS(on)比较

 
 

MOSFET

 

GaN

 

RDS（on） - 面积公制

 

14-18 mΩ-cm2

 

6-9 mΩ-cm2

 

•较低的栅极和输出电荷：GaN提供较低的栅极电荷。与MOSFET的4nC相比，典型的中压器件具有大约1nC的栅极电荷（表2）。较低的栅极电荷使设计具有更快的导通时间和转换速率，同时减少损耗。

类似地，GaN具有显著较低的输出电荷（表2），这为每个设计带来双重优势。首先，开关损耗下降多达80％，结合较低的传导损耗，对功率密度有重大和积极的影响。第二，根据拓扑和应用，设计可在更高的开关频率运行高达10倍。这大大减少了磁性材料的尺寸以及设计的尺寸和占用空间，同时将整体效率提高了15%。

表2：输出电荷比较

 
 

MOSFET

 

GaN

 

栅极电荷

 

~4 nC-Ω

 

~1-1.5 nC-Ω

 

输出电荷

 

~25 nC-Ω

 

~5 nC-Ω

 

•零反向恢复：硅MOSFET在50至60 nC范围内具有典型的反向恢复电荷，具体取决于其尺寸和特性。当MOSFET关断时，体二极管中的反向恢复电荷（Qrr）产生损失，从而增加了总的系统开关损耗。这些损耗与开关频率成正比。如图1所示，较高频率下的Qrr损耗使得MOSFET在许多应用中变得不切实际。

 1. 相比GaN替代品，MOSFET的反向恢复电荷（Qrr）损耗在较高频率下要大得多。

 

相比之下，GaN具有零反向恢复和零Qrr损耗，使GaN FET成为硬切换应用的理想选择，如稍后的示例所示。

 

驱动GaN

不管所用的GaN类型如何，栅极驱动设计对于实现最佳的整体性能至关重要。一个糟糕的栅极驱动设计的一个很好的类比是在一级方程式赛车上使用街胎。

在设计栅级驱动器时，请注意以下几个关键参数：

•偏置电压：重要的是将栅极偏置为最佳电压以获得最佳的开关性能，同时保护栅极免受潜在的过压状况。偏置电平随类型和GaN制造工艺而异，需要相应设置。具有钳位或过压保护电路也极其关键。

•环路电感：由于GaN的高压摆率和开关频率，设计中的任何寄生电感都会在系统中引入损耗和振铃。许多电感源存在于GaN FET和驱动器封装中的引线和内部接合线以及印刷电路板（PCB）迹线的设计中。虽然可将其减少，但很难消除它们。诸如LMG3410的GaN功率级解决方案将驱动器和GaN FET集成到单个封装中，显著降低了总体电感。

•传播延迟：短传播延迟和良好匹配（针对半桥拓扑）对于高频 *** 作非常重要。 25 ns的传播延迟和1到2 ns的匹配是高频（1 MHz或更高）设计的一个很好的起点。

2. 如通过优化的驱动器设计的GaN开关波形所证明的，GaN可以非常高速的转换速率工作，并且使交换节点上的振铃最小。