GaN FET在汽車電子高頻變壓器設(shè)計(jì)實(shí)例

當(dāng)前的消費(fèi)者對(duì)于續(xù)航里程、充電時(shí)間和性價(jià)比等問題越來越關(guān)注，為了加快電動(dòng)汽車（EV）的采用，全球的汽車制造商都迫切需要增加電池容量、縮短充電時(shí)間，同時(shí)確保汽車尺寸、重量和器件成本保持不變。

電動(dòng)汽車車載充電器（OBC）正經(jīng)歷著飛速的發(fā)展，它使消費(fèi)者可以在家中、公共充電樁或商業(yè)網(wǎng)點(diǎn)使用交流電源直接為電池充電。為了提高充電速度，OBC功率水平已從3.6kW增加到了22kW，但與此同時(shí)，OBC必須安裝在現(xiàn)有機(jī)械外殼內(nèi)并且必須始終隨車攜帶，以免影響行駛里程。OBC功率密度最終將從現(xiàn)在的低于2kW/L增加到高于4kW/L。

開關(guān)頻率的影響

OBC本質(zhì)上是一個(gè)開關(guān)模式的電源轉(zhuǎn)換器。它主要由變壓器、電感器、濾波器和電容器等無源器件以及散熱器組成，這些器件構(gòu)成了其重量和尺寸的大部分。增加開關(guān)頻率需要縮小無源器件尺寸。但是，較高的開關(guān)頻率會(huì)在功率金屬氧化物半導(dǎo)體（MOSFET）和絕緣柵雙極晶體管等開關(guān)元件中造成較高的功耗。

縮小尺寸需要進(jìn)一步降低功率損耗才能保持器件溫度不變，因?yàn)榭s小尺寸后散熱面積隨之減小。需要同時(shí)增加開關(guān)頻率和效率才能形成這種更高的功率密度。這帶來了巨大的設(shè)計(jì)難題，而硅基電源器件很難解決這一難題。

增加開關(guān)速度（器件端子之間電壓和電流的變化速度）將從根本上減少開關(guān)能量損耗。這一過程必不可少，否則實(shí)際的最大頻率將受到限制。在端子之間具有較低寄生電容（在低電感電路布線中精心設(shè)計(jì)）的電源器件便可以順利實(shí)現(xiàn)此目的。

優(yōu)于硅器件的性能

使用寬帶隙半導(dǎo)體，例如氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）構(gòu)建的電源器件具有獨(dú)特的物理特性，可顯著降低電容，同時(shí)確保同等的導(dǎo)通電阻和擊穿電壓。更高的擊穿臨界電場(chǎng)（GaN比硅高10倍）和更高的電子遷移率（GaN比硅高33%）可有效實(shí)現(xiàn)更低的導(dǎo)通電阻和更低的電容。這樣一來，GaN和SiC FET與硅相比本身就可以在更高的開關(guān)速度下工作，并且損耗更低。

GaN的優(yōu)勢(shì)尤其明顯：

● GaN的低柵極電容可在硬開關(guān)期間實(shí)現(xiàn)更快的導(dǎo)通和關(guān)斷，從而減少了交叉功率損耗。GaN的柵極電荷品質(zhì)因數(shù)為1nC-Ω。

● GaN的低輸出電容可在軟開關(guān)期間實(shí)現(xiàn)快速的漏源轉(zhuǎn)換，在低負(fù)載（磁化）電流下尤其如此。例如，典型 GaN FET的輸出電荷品質(zhì)因數(shù)為5nC-Ω，而硅器件為25nC-Ω。借助這些器件，設(shè)計(jì)人員可以使用較小的死區(qū)時(shí)間和低磁化電流，而它們對(duì)于增加頻率和減少循環(huán)功率損耗必不可少。

● 與硅和SiC電源MOSFET不同，GaN晶體管結(jié)構(gòu)中本身沒有體二極管，因此沒有反向恢復(fù)損耗。這使得圖騰柱無橋功率因數(shù)校正等新型高效架構(gòu)可以在數(shù)千瓦時(shí)變得可行，這在以前使用硅器件時(shí)是無法實(shí)現(xiàn)的。

所有這些優(yōu)點(diǎn)使設(shè)計(jì)人員能夠使用GaN在更高的開關(guān)頻率下實(shí)現(xiàn)高效率，如圖1所示。額定電壓為650V的GaN FET可支持最高10kW的應(yīng)用，例如服務(wù)器交流/直流電源、電動(dòng)汽車高壓直流/直流轉(zhuǎn)換器和OBC（并聯(lián)堆疊可達(dá)到22kW）。SiC器件最高可提供1.2kV的電壓，并具有高載流能力，非常適合用于電動(dòng)汽車牽引逆變器和大型三相電網(wǎng)逆變器。

圖 1：GaN在支持超高頻應(yīng)用方面優(yōu)于所有技術(shù)

高頻設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

在開關(guān)頻率達(dá)到數(shù)百伏特時(shí)，需要對(duì)典型的10ns上升和下降時(shí)間進(jìn)行精心設(shè)計(jì)，以避免寄生電感效應(yīng)。FET和驅(qū)動(dòng)器之間的共源電感和柵極回路電感具有以下關(guān)鍵影響：

● 共源電感限制漏源瞬態(tài)電壓（dV/dt）和瞬態(tài)電流（dI/dt），從而降低開關(guān)速度，增加硬開關(guān)期間的重疊損耗和軟開關(guān)期間的轉(zhuǎn)換時(shí)間。

● 柵極回路電感限制柵極電流dI/dt，從而降低開關(guān)速度，增加硬開關(guān)期間的重疊損耗。其他負(fù)面影響包括增加對(duì)米勒導(dǎo)通效應(yīng)的易感性，形成額外功率損耗風(fēng)險(xiǎn)，增加更大程度減小柵極絕緣體電壓過應(yīng)力的設(shè)計(jì)難題，如果不適當(dāng)緩解過應(yīng)力，則會(huì)降低可靠性。

這樣一來，工程師可能需要使用鐵氧體磁珠和阻尼電阻，但是這些會(huì)降低開關(guān)速度并與增加頻率的目標(biāo)背道而馳。盡管GaN和SiC器件本身就適用于進(jìn)行高頻工作，但要充分發(fā)揮它們的優(yōu)勢(shì)仍需要克服系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)難題。如果能夠獲得設(shè)計(jì)精良的產(chǎn)品，而該產(chǎn)品兼顧了易用性、穩(wěn)定性和設(shè)計(jì)靈活性的話，則可以加快對(duì)該技術(shù)的應(yīng)用。

具有集成式驅(qū)動(dòng)器、保護(hù)和功耗管理功能的GaN FET

德州儀器（TI）的650V完全集成式汽車類GaN FET具有GaN的高效、高頻開關(guān)優(yōu)勢(shì)，且沒有相關(guān)的設(shè)計(jì)和器件選擇缺陷。GaN FET和驅(qū)動(dòng)器緊密集成在低電感四方扁平無引線（QFN）封裝中，大大降低了寄生柵極回路電感，讓設(shè)計(jì)人員無需擔(dān)憂柵極過應(yīng)力和寄生米勒導(dǎo)通效應(yīng)，并且共源電感非常低，可實(shí)現(xiàn)快速開關(guān)，減少損耗。

LMG3522R030-Q1 與 C2000? 實(shí)時(shí)微控制器中的高級(jí)控制功能（如 TMS320F2838x 或 TMS320F28004x相結(jié)合，可在功率轉(zhuǎn)換器中實(shí)現(xiàn)高于1MHz的開關(guān)頻率，與現(xiàn)有的硅和SiC解決方案相比，其磁體尺寸減小了59％。

與分立式FET相比，演示中大于100V/ns 的漏源壓擺率可降低67%的開關(guān)損耗，而其可調(diào)節(jié)性介于 30-150V/ns之間，可權(quán)衡效率與電磁干擾，從而降低下游產(chǎn)品設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)。集成式電流保護(hù)功能確保了穩(wěn)健性，并增加了許多新功能，包括用于管理有源功率的數(shù)字脈寬調(diào)制溫度報(bào)告、運(yùn)行狀況監(jiān)測(cè)和理想二極管模式（如 LMG3525R030-Q1 所提供），讓設(shè)計(jì)人員無需實(shí)施自適應(yīng)死區(qū)時(shí)間控制。12mm×12mm的頂部冷卻QFN封裝還可以增強(qiáng)散熱管理。

TI GaN器件通過了4，000多萬小時(shí)的器件可靠性測(cè)試，并且10年壽命的故障率小于1，可滿足汽車制造商所期望的耐用性。TI GaN在普遍可用的硅基板上構(gòu)建，并使用所有內(nèi)部制造設(shè)施的現(xiàn)有工藝節(jié)點(diǎn)制造，與基于SiC或藍(lán)寶石基板的其他技術(shù)不同，它具有確定的供應(yīng)鏈和成本優(yōu)勢(shì)。
編輯：hfy