支持瓦特到千瓦級(jí)應(yīng)用的氮化鎵技術(shù)

兩年多前，德州儀器宣布推出首款600V氮化鎵（GaN）功率器件。該器件不僅為工程師提供了功率密度和效率，且易于設(shè)計(jì)，帶集成柵極驅(qū)動(dòng)和穩(wěn)健的器件保護(hù)。從那時(shí)起，我們就致力于利用這項(xiàng)尖端技術(shù)將功率級(jí)盡可能提高（和降低）。

氮化鎵在任何功率級(jí)別都很關(guān)鍵。工程師正努力提高切換速度、效率和可靠性，同時(shí)減小尺寸、重量和元件數(shù)量。從歷來(lái)經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，您必須至少對(duì)其中的部分因素進(jìn)行權(quán)衡，但德州儀器正通過(guò)所有這些優(yōu)勢(shì)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)，同時(shí)通過(guò)在一個(gè)封裝中進(jìn)行復(fù)雜集成來(lái)節(jié)省系統(tǒng)級(jí)成本，并減少電路板元件數(shù)量。從將PC適配器的尺寸減半，到為并網(wǎng)應(yīng)用創(chuàng)建高效、緊湊的10 kW轉(zhuǎn)換，德州儀器為您的設(shè)計(jì)提供了氮化鎵解決方案。LMG3410和LMG3411系列產(chǎn)品的額定電壓為600 V，提供從低功率適配器到超過(guò)2 kW設(shè)計(jì)的各類解決方案。

通過(guò)導(dǎo)通電阻選擇器件

內(nèi)部氮化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）的額定值為RDS(on)-漏極-源極或?qū)娮琛湓诠β?a target="_blank">轉(zhuǎn)換器的開關(guān)和傳導(dǎo)損耗中起著重要作用。這些損失會(huì)影響系統(tǒng)級(jí)效率及散熱和冷卻方法。因此，通常來(lái)講，RDS(on)額定值越低，可實(shí)現(xiàn)的功率水平越高，同時(shí)仍保持高效率。但是更高的RDS(on)可能更合適一些應(yīng)用或拓?fù)?，如圖1所示。

圖1：采用典型電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的70和50mΩ氮化鎵器件

過(guò)流保護(hù)

集成的過(guò)流保護(hù)不僅簡(jiǎn)化了用戶的布局和設(shè)計(jì)，且在短路或其他故障情況下，高速檢測(cè)實(shí)際上對(duì)于器件保護(hù)非常必要。德州儀器的氮化鎵器件產(chǎn)品組合具有<100-ns的電流響應(yīng)時(shí)間，可通過(guò)安全關(guān)斷器件并允許其復(fù)位來(lái)自我防止意外擊穿事件。這可保護(hù)器件和系統(tǒng)免受從故障管腳讀出的故障條件的影響，如圖2所示。

圖2：LMG3410/LMG3411系列產(chǎn)品的內(nèi)部器件結(jié)構(gòu)，包括FET、內(nèi)部柵極驅(qū)動(dòng)、壓擺率控制和保護(hù)功能

德州儀器的默認(rèn)過(guò)流保護(hù)方法被歸類為“電流鎖存”保護(hù)；這意味著，若在器件中檢測(cè)到任何過(guò)流故障，F(xiàn)ET將安全關(guān)斷，并在故障復(fù)位前保持關(guān)斷狀態(tài)。在我們的70mΩ器件中，故障在36 A觸發(fā)；對(duì)于50mΩ器件，故障觸發(fā)器擴(kuò)展到61 A.

基于不同的應(yīng)用，一些工程師可能更愿意在合理的瞬態(tài)條件下運(yùn)行，為此我們提供逐周期過(guò)流保護(hù)。通過(guò)逐周期保護(hù)，在發(fā)生過(guò)流故障時(shí)，F(xiàn)ET將安全關(guān)斷，且輸出故障信號(hào)將在輸入脈沖寬度調(diào)制器變?yōu)榈碗娖胶笄辶?。FET可在下一個(gè)周期內(nèi)重啟，且在瞬態(tài)條件下運(yùn)行，同時(shí)仍能防止器件過(guò)熱。

毫無(wú)疑問(wèn)，氮化鎵在半導(dǎo)體競(jìng)爭(zhēng)中處于領(lǐng)先地位，可用于超級(jí)電源開關(guān)。因德州儀器的氮化鎵器件正在量產(chǎn)且針對(duì)更廣泛的解決方案，我們將繼續(xù)為電力行業(yè)的每位成員提供更具可擴(kuò)展性和可訪問(wèn)性的技術(shù)。