通過單片GaN集成提高性能，同時減小尺寸和成本

15 V 至 350 V 范圍內的氮化鎵 （GaN） 異質結場效應功率晶體管已被證明在功率轉換、電機驅動和激光雷達脈沖光等應用中在效率、尺寸、速度和成本方面比硅具有顯著優(yōu)勢。這些優(yōu)勢是由于臨界電場比硅高一個數量級，特別是在帶隙方面有3倍的優(yōu)勢，在電子遷移率方面有1.3倍的優(yōu)勢。

由此產生的設備切換速度更快，物理尺寸更小，R 更低DS（on），并且可以承載更高的固有電流[1]。當今的大多數GaN晶體管都具有橫向結構，允許將許多晶體管經濟高效地集成到單個基板上，如圖1所示[2]。

圖1.

顯示GaN集成電路構建模塊的橫截面。圖片由 Bodo 的動力系統(tǒng)提供

分立式柵極驅動器

每個功率晶體管都與柵極驅動器緊密配合，作為電力電子開關轉換器的基本構建模塊。對于導通，柵極驅動器從去耦電容中充電并將其輸送到功率晶體管的柵極電容，電流從功率晶體管的源返回去耦電容。對于關斷，柵極驅動器將柵極連接到源極，以從柵極中移除電荷。高轉換速度是高頻工作的關鍵，柵極驅動器必須克服導通和關斷環(huán)路的電阻和電感，才能獲得在高頻下工作的高效解決方案。這意味著一個強大的（低電阻）驅動器和一個低環(huán)路電感。

圖2顯示了電源模塊分立解決方案的導通（a）和關斷（b）柵極驅動環(huán)路及其雜散電感。雜散電感來自走線和互連，例如引線鍵合、焊料凸點和 PCB 走線。GaN器件是橫向的，所有電氣連接都在同一表面上，允許具有焊料凸點的晶圓級封裝。它們的電感比具有垂直結構的硅MOSFET所需的引線鍵合或夾子低得多。具有柵極驅動器的GaN晶體管的分立實現(xiàn)方案具有電容器等效串聯(lián)電感（ESL）的電感、柵極驅動器V的焊料凸點或引線鍵合DD/ 5黨衛(wèi)軍，以及功率晶體管柵極和源極的焊錫凸點，以及PCB走線。這些電感阻礙了功率晶體管柵極電容的充電和放電，從而減慢了開關速度并增加了換向損耗。

特別值得關注的是共源電感（L.CS).這是柵極驅動和電源環(huán)路共有的電感。它由功率晶體管源極焊料凸塊和分離點之前的任何源極PCB走線組成。良好的設計做法是將這些環(huán)路分離得盡可能靠近FET的源極。共源電感的影響是電源環(huán)路di/dt在L兩端感應電壓.CS從 V 中減去一般事務人員在導通期間應用于功率晶體管（并添加到 V一般事務人員關斷期間），減慢電流換向并增加開關損耗[3][4]。

圖片由 Bodo 的動力系統(tǒng)提供

b.圖片由 Bodo 的動力系統(tǒng)提供

c. 圖片由Bodo's Power Systems提供

d.

圖2.

電源阻斷柵極驅動環(huán)路：（a） 分立導通、（b） 分立關斷、（c） 集成氮化鎵導通、（d） 集成氮化鎵關斷。圖片由 Bodo 的動力系統(tǒng)提供

考慮激光雷達激光驅動器等應用，需要在 100 ns 內打開 1 A。基本電子學告訴我們V = L di/ dt。50 pH 值 L.CS感應5 V，在柵極驅動阻抗兩端留出0 V以開啟功率晶體管，從而無法實現(xiàn)所需的DI/dt。雖然這個例子是極端的，但在電源轉換和電機驅動應用中，實際、共源電感對電流換向時間的影響非常大。電流換向時間由公式1估算，其中電流換向所需的柵極電荷由（Q一般事務人員， p克（千））， RG為集總柵極驅動阻抗，V一般事務人員是支持換向電流所必需的功率晶體管柵極驅動電壓，并且VDD是柵極驅動器電壓。

t=ZG(QGS?QG(TH))+LCSIDVDD?VGS（1） 電流換向時間

E=t?ID?D2（2） 電流換向時間造成的能量損失

P=E?fP=E?f

（3） 電流換向時間造成的功率損耗

例如，考慮EPC2088 [5] 硬導通，在 50 MHz 時換向 25 V、1 A。一般事務人員= 4.4 nC， Q克（千）= 3.2 nC， ZG= RG（0.4 Ω） 加上 0.7 Ω 柵極驅動器電阻（忽略柵極驅動環(huán)路電感），VDD= 5 V， V一般事務人員@ 25 A = 2.3 V，L.CS= 100 pH值。The ZG公式1的項得到t = 600 ps換向時間。The L.CS項導致 1.14 ns 電流換向時間。在本例中，65%的電流換向時間是由共源電感引起的。使用公式2和公式3，每個周期在切換710 A和25 V時損失50 μJ的能量，僅在共源電感下在710 MHz處消耗1 mW的功率。很明顯，必須將共源電感降至最低，以實現(xiàn)尺寸減小和高頻的系統(tǒng)優(yōu)勢。

其余柵極驅動環(huán)路電感對開關損耗的影響要直接得多，因為它們是RLC環(huán)路，其中電阻和電感阻礙柵極電容的充電，如果電感過高，則必須增加電阻以控制柵極過沖和振鈴，從而進一步增加換向損耗。公式4顯示了柵極回路臨界阻尼所需的電阻，其中RG（開）是總導通柵極環(huán)路電阻，LG（on）是導通柵極環(huán)路電感，Lcs是共源電感，CGS（on）是換向電壓下的FET柵源電容[4]。由于時間、能量和功率與共源電感成線性關系，因此高頻功率轉換需要特別注意封裝和布局。

RG(on)≥√4×(LG(on)+LCS)CGS(on)??(??)≥4×(??(??)+???)???(??)（4） 臨界阻尼所需的阻力

考慮一個集成電路，其中功率晶體管與柵極驅動器集成在一起。這種集成消除了導通（圖2 （c）和關斷（圖2 （d）柵極驅動路徑中的所有外部共源電感，由IC設計人員來最小化內部共源電感。仔細放置VDD和VSS端子有助于系統(tǒng)設計人員最大限度地降低走線電感，使電容器等效串聯(lián)電感（ESL）以及VDD和VSS焊料凸塊成為導通柵極驅動環(huán)路電感的唯一重要來源。對于關斷柵極驅動環(huán)路，所有電感都將包含在IC內，使其達到絕對最小值。

除了減少柵極環(huán)路和共源電感外，將柵極驅動器與功率晶體管集成還提供了將柵極驅動器與功率晶體管匹配以獲得最佳驅動強度的機會。例如EPC21601（單端40 V）、EPC21603（LVDS 40 V）和EPC21701（單端100 V）。

圖3.

EPC23102的功能框圖。圖片由 Bodo 的動力系統(tǒng)提供

這些GaN IC設計用于需要在大于15 MHz時切換100 A的間接飛行時間。

氮化鎵集成中的增強功能

GaN集成中增強功能的示例包括EPC的ePower級IC，例如EPC23102[6]。這些IC配置為半橋，集成了全功能柵極驅動器，包括電平轉換器、上電復位、交越保護和延遲匹配。ePower級IC的功能框圖如圖3所示。這些 IC 設計用于各種應用，從頻率在 10s 到 100s kHz 之間的電機驅動器到高達 3 MHz 的高頻 DC-DC 轉換器。在這個頻率范圍內，開關速度必須能夠在不影響內核柵極驅動性能的情況下得到控制。

GaN集成的主要優(yōu)勢之一是N溝道FET用于柵極驅動器的輸出級。使用 N 溝道 FET 驅動功率 FET 的導通，允許電阻控制導通，以控制開關壓擺率，從而控制過沖和振鈴。這是控制EMI的一個重要因素，可以在不影響柵極驅動器的其他特性的情況下實現(xiàn)。帶有柵極驅動器的集成功率FET的功能框圖如圖4 （a）所示。

圖片由 Bodo 的動力系統(tǒng)提供

b.

圖4.

（a） GaN集成功率級的功能框圖，（b）9177 V輸入時EPC48開關節(jié)點開啟，R時10 A輸出上= 2.2 ?.圖片由

Bodo 的動力系統(tǒng)提供

EPC9177 [7] 是一款使用EPC23102的開環(huán)半橋開發(fā)板。R 為 2.2 Ω上，在48 V、10 A時，導通開關節(jié)點波形得到很好的控制，如圖4（b）所示。減少開關節(jié)點振鈴對于控制EMI至關重要。

氮化鎵集成結論

GaN集成為許多高頻應用提供了許多系統(tǒng)優(yōu)勢。集成降低了柵極驅動電感和共源電感，從而提供了快速的電流換向速度。它允許調諧換向，以減少開關節(jié)點中的過沖和振鈴，這對于EMI控制至關重要。它通過減小元件尺寸和提高頻率來減小系統(tǒng)尺寸和成本。GaN集成減少了元件數量，降低了系統(tǒng)成本和尺寸，同時降低了供應鏈成本。GaN集成才剛剛開始，其收益肯定會隨著時間的推移而增加。

引用

[1] Lidow，Alex，de Rooij，Michael，Strydon，Johan，Reusch，David和Glaser，John，GaN晶體管用于高效功率轉換，第三版，John Wiley & Sons Ltd，2020年，第2-5頁。

[2] Lidow，Alex，GaN 功率器件和應用，第 1 章，高效功率轉換公司，2022 年，第 16 頁。

[3] Lidow， Alex and Strydom， Johan， eGaN FET Drivers and Layout Considers， 2016.

[4] Lidow，Alex，de Rooij，Michael，Strydon，Johan，Reusch，David和Glaser，John，GaN晶體管用于高效功率轉換，第三版，John Wiley & Sons Ltd，2020年，第41 - 54頁。

[5] EPC2088數據表 - 2022 年。

[6] EPC23102數據表 -2023 年。

[7] EPC9177開發(fā)板快速入門指南 - 2023.

審核編輯 黃宇