集成氮化镓改变了传统的智慧吗

作为电源电子工程师，有一个说法是没有成功不基于电源设备爆炸的教训。这在我多年调试基于硅的MOSFET的开关模式电源的经验中似乎是真的。正是通过尝试、错误和研究设备故障，才学会了如何设计可靠工作的转换器。

在氮化镓（GaN）功率FET的早期阶段，故障很常见。更严格的栅极环路设计要求，更高的dv/dt和共源电感的影响使得电路对寄生和噪声更敏感。当TI推出第一个600V GaN功率级样品时，我惊叹于该产品的可靠性和其自我保护功能的有效性。即使功率级已经通过严格的测试验证，我以前的硅器件经验让我对其在实际使用中的可靠性也感到好奇。更重要的是，这些功能会改变电路原型和调试的传统智慧吗？

在最近的交错式转换器设计中，我使用了两个具有一些基本直流总线设计的TI半桥LMG3410-HB-EVM评估模块（EVM），由UCD3138数字脉宽调制（PWM）控制器控制。当两个交错的半桥结合在一起时，我看到PWM信号反复受到高dv/dt（100V /ns）的影响，在480V引起击穿FET，触发集成过流保护（图1）。

与大多数FET——在这种情况下会失效——不同，LMG3410集成功率级使我能够在不发生损坏的情况下重复故障条件，快速调试到根本原因。这可能会非常辛苦的，而且传统器件可能会不安全。

图1：击穿事件之后功率级自动关闭（蓝色：上部FET PWM；黄色：下部FET PWM；绿色：电感器电流）

通过R_DRV改变转换速率，我发现单相操作的50V/ns或100V/ns工作稳定，而使用两相操作的100V/ns则不然。根本原因是共模（CM）噪声污染和控制器外围电路的非优化布局，导致不同PWM通道之间的时钟同步不匹配（图2）。

图2：PWM不同步导致电感电流浪涌（蓝色：上部FET PWM；黄色：下部FET PWM；绿色：电感电流；红色：故障信号触发）

TI的ISO7831数字信号隔离器提供了足够高的CM瞬态抗扰度（CMTI）速率（>100V/ns），但隔离电源（通常具有高得多的CM电容）很容易以高dv/dt将噪声从开关节点电压耦合到控制侧（图3）。随着多个相位同时操作，更多的CM噪声会被注入到控制侧。

电源设计人员有时忽视了这个问题，因为硅器件和一些带有外部驱动器的GaN FET不会实现这么高的转换速率。我成功地解决了这个问题，通过在上部FET的隔离电源上增加额外的CM扼流圈，改善了数字控制器的去耦环路，降低了控制器的接地弹跳和噪声耦合。由于LMG3410的集成保护功能，在整个调试过程中，尽管多次出现CM噪声引起的故障，我没有遇到任何灾难性故障。

图3：隔离电源和数字隔离器之间的CM电容

除了过流故障，过热事件是电源转换器中常见的情况。虽然有经验的工程师具有良好的散热设计技能，但保持器件结点的冷却仍然具有挑战性，而且没有太大的错误余地。随着时间的推移，风扇故障或散热器损坏等事件可能导致灾难性故障。‘幸运的是，LMG3410集成了过热保护，当我的风扇电源意外关闭时，LMG341就会起到保护作用。热脱扣点设置为165°C，为短暂的温度漂移留出足够的空间，但防止器件因与冷却相关的系统故障而遭受永久性损坏。

尽管GaN在系统效率、尺寸和冷却方面具有优势，但其高开关速度和频率也呈现出越来越大的挑战。TI GaN产品的保护和其他集成功能正在改变使用分立Si MOSFET了解高速开关转换器设计复杂性的传统智慧。这些产品不仅在我们调试新设计时保护器件免受永久性损坏，还通过防止长期工作时的栅极过应力来提高可靠性，因为集成驱动器设计减少了栅极振荡。

依据摩尔定律，全世界电子产品的尺寸已大幅降低，系统密度得到改善。由于GaN技术的发展和推出易于使用的GaN功率级（如具有自我保护功能的LMG3410），这一趋势现在将发展到电源电子产品。

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审核编辑：符乾江