采用GaN功率IC簡化電力電子設(shè)計

早期的氮化鎵(GaN)功率器件需要復(fù)雜、昂貴且頻率受限的外部電路，以及復(fù)雜的封裝來保護(hù)和控制脆弱的柵極，這嚴(yán)重限制了市場的采用。

單片集成的GaN功率IC的引入，將驅(qū)動、邏輯和場效應(yīng)管集成在一個芯片上，是向前邁出的重要一步。這種信號與功率的強(qiáng)大融合提供了一種堅固的解決方案，易于使用，并極大簡化了整體系統(tǒng)設(shè)計。本文強(qiáng)調(diào)了一些早期GaN技術(shù)的困難，介紹了新款GaN功率集成電路，并展示了利用這一新革命性技術(shù)設(shè)計的高頻轉(zhuǎn)換器示例，這些應(yīng)用具有基準(zhǔn)效率、高功率密度和低系統(tǒng)成本。

AllGaN?與GaN功率集成電路

氮化鎵(GaN)是一種寬禁帶材料，能夠承受高電場，因此可以實現(xiàn)高載流子密度。具有AlGaN/GaN異質(zhì)外延結(jié)構(gòu)的二維電子氣(2-DEG)在通道和漏極漂移區(qū)域提供了很高的遷移率，與硅(Si)和碳化硅(SiC)相比，電阻顯著降低。創(chuàng)建橫向器件結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)極低的電荷，以支持高速操作，并且還允許集成。

AllGaN?是業(yè)界首個GaN功率集成電路工藝設(shè)計工具包(PDK)，它允許將650V GaN IC電路(驅(qū)動、邏輯)與GaN FET單片集成。其他功能也可以包含在內(nèi)，例如滯后數(shù)字輸入、電壓調(diào)節(jié)和靜電放電(ESD)保護(hù)——所有這些都在GaN內(nèi)實現(xiàn)(見圖1)。這種驅(qū)動與開關(guān)的單片集成，在垂直GaN、dMode GaN或SiC中是無法實現(xiàn)的。

AllGaN柵極解決方案：易于驅(qū)動

最早的GaN功率器件是dMode(耗盡模式)，這意味著需要額外的硅FET以“級聯(lián)”方式保持其關(guān)閉，這導(dǎo)致封裝電感和成本的負(fù)面影響。后來，eMode(增強(qiáng)模式)GaN分立器件具有脆弱的柵極和非常低的閾值電壓。這使得它們對噪聲和電壓尖峰非常敏感，尤其是周圍開關(guān)模式轉(zhuǎn)換器電路產(chǎn)生的高頻和高dv/dt噪聲，因此需要復(fù)雜且昂貴的控制和柵極驅(qū)動電路(見圖2左)。此外，這兩種實現(xiàn)方式都限制了GaN開關(guān)的高頻性能，幾乎沒有超過硅的優(yōu)勢，從而限制了市場的采用。

在AllGaN解決方案中，GaN FET的柵極由上游集成的GaN驅(qū)動器安全、精確和高效地驅(qū)動。來自標(biāo)準(zhǔn)、低成本、低電壓“無驅(qū)動”控制IC的簡單、穩(wěn)健的低電流3.3V、5V或15V信號直接饋入GaN功率集成電路，實現(xiàn)易于設(shè)計、元件數(shù)量少的設(shè)計(見圖2右)。

波形呈現(xiàn)出真實的“教科書”效果，升降沿非常干凈，沒有振鈴，并且開關(guān)的開啟和關(guān)閉傳播延遲極快(見圖3)。集成消除了柵極過沖和欠沖，同時芯片上的零電感確保沒有關(guān)斷損耗。這種沒有振鈴/過沖的特性使得在半橋電路中輕松控制死區(qū)時間。

這種卓越的快速和安靜的開關(guān)性能，加上集成的柵極驅(qū)動和簡單的PWM輸入，使得能夠設(shè)計多種不同的高頻功率轉(zhuǎn)換器，實際速度提升超過10倍，從65/100kHz提高到超過1MHz。

GaN功率集成電路的電氣和機(jī)械布局簡便

在高頻分立設(shè)計中，需要更多的設(shè)計時間來調(diào)查并消除或減少寄生電感，例如器件之間的串?dāng)_和更多的PCB層。同時，柵極驅(qū)動解決方案可能需要鐵氧體珠來保護(hù)柵極，但這會減慢應(yīng)用速度。傳統(tǒng)的高電感封裝，如TO220，體積龐大并限制系統(tǒng)性能。

采用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的低電感表面貼裝QFN封裝，GaN功率集成電路實現(xiàn)了高性能、低成本解決方案，并具有最高功率密度。數(shù)字輸入意味著設(shè)計的靈活性，GaN器件可以放置在主板或子卡上，距離控制IC遠(yuǎn)或近。

AllGaN應(yīng)用

為了實際評估AllGaN在真實功率電子應(yīng)用中的表現(xiàn)，讓我們看一下在臨界導(dǎo)通模式(CrCM)下運(yùn)行的150W PFC升壓轉(zhuǎn)換器——也稱為邊界導(dǎo)通模式(BCM)，具有自振蕩頻率。由于現(xiàn)有硅輸入/輸出電容限制，傳統(tǒng)電路通常運(yùn)行在65kHz或100kHz。

現(xiàn)在，借助快速開關(guān)和低電感的GaN功率集成電路，該板的頻率保守性地提高到200kHz到1MHz的范圍，以展示新GaN功率集成電路的性能，并驗證在提高頻率時的功率密度優(yōu)勢。

該電路布局和布線簡單，5x6mm的QFN GaN功率集成電路位于關(guān)鍵的升壓開關(guān)節(jié)點旁，而控制器則放置在稍遠(yuǎn)的位置，靠近關(guān)鍵的檢測節(jié)點。然后，將簡單的PWM信號在兩個模塊之間布線，以實現(xiàn)升壓開關(guān)的開啟/關(guān)閉控制。所有功率組件均在2層、2盎司PCB的底面表面貼裝，以便進(jìn)行單次波焊接合整個電路板。通過使用通孔進(jìn)行熱管理，不需要額外的散熱片。

該電路板在滿載時的峰值效率超過98%(GaN功率集成電路運(yùn)行溫度僅為61°C)，平均效率為97%(包括EMI濾波器和輸入橋整流器)，功率因數(shù)超過99.5%。相比之下，使用8x8mm QFN“CP”超結(jié)硅FET的同一電路板無法在200kHz以上運(yùn)行，輕載時溫度超過160°C。

隨著開關(guān)頻率的增加，儲能元件(例如升壓電感)的尺寸減小。在這里，升壓電感采用3F36核心材料和Litz導(dǎo)線(源自德語的Litzendraht，意為編織/絞合線)。在低電壓/滿載條件下，典型的“100kHz” 150W電感需要約400uH的電感和RM14的核心尺寸。而這種設(shè)計在頻率僅增加4倍的情況下，僅需150uH和RM10的核心尺寸——核心尺寸減少了80%。普通和差模EMI電感還可以進(jìn)一步節(jié)省尺寸和成本。

雖然該電路板是為演示目的設(shè)計的，但其尺寸仍只有165 x 45 x 20mm，允許客戶根據(jù)需要優(yōu)化尺寸和定制外形。

GaN功率集成電路在電源設(shè)計中的應(yīng)用

借助GaN功率集成電路，高性能、高頻率的功率轉(zhuǎn)換器設(shè)計現(xiàn)在變得簡單，而不再面臨復(fù)雜且昂貴的柵極驅(qū)動和布局寄生電感相關(guān)的困難。

這一簡單但革命性的成就為電源設(shè)計帶來了巨大潛力。在多級轉(zhuǎn)換器中，整體系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計的靈活性顯著增加。例如，單個GaN功率集成電路模塊可以靠近各自的功率電路放置，簡單的PWM信號可以輕松從中央控制器路由到每個模塊。

這種簡單性與突破性性能的結(jié)合，最終使得高壓GaN能夠取代硅。