使用GaN进行功率转换

通过其晶体管实施的 GaN 技术已经取得了显着的改进，直到达到替代 Mosfet 的最佳成本。这一切都始于 2017 年，GaN 在 48-Vin DC-DC 转换器中的采用率开始在市场上具有重要意义。各种拓扑结构，例如多相和多级降压，正在提供具有更高效率的新解决方案，以满足 IT 和汽车市场的能源需求。除了 GaN 的微电子技术外，数字控制还提供了额外的提升以提高性能。

EPC 首席执行官 Alex Lidow 表示：“数字控制的一大特点是能够跨应用程序平台重用通用算法。他继续说道：“对于未来有多个项目的设计师来说，从专用模拟控制器转向数字控制器的投资非常值得。借助数字控制，还可以直接整合多种通信协议，例如 UART、I 2 C、SPI 和 CAN。而且，对于那些在汽车领域工作或需要双向控制的设计师来说，数字控制可以通过自动增益控制（包括负载电流反转）实现动态控制稳定性调整。“

除了数字控制之外，使用 GaN 进行设计时的一个重要问题，但对于电子设备而言，通常是资格测试，它为组件的强度提供了明确的证据。

半导体的正常鉴定测试涉及在较长时间内或一定数量的循环内对器件施加压力。资格测试的目标是在大量测试部件上实现零故障。

“在 Efficient Power Conversion （EPC），我们在每个已知的应力条件下测试部件直至故障点。这让我们了解了数据表限制中的裕量，但更重要的是，它让我们了解了我们的 GaN FET 和集成电路的内在故障机制，”Lidow 说。

GaN 的数字控制

大多数模拟控制都受到 GaN FET 兼容性的影响，需要额外的电路来匹配栅极驱动器操作。数字解决方案提供了一种简单有效的方法来实现先进的电源和温度保护功能，尤其是。此外，dSPIC33CK 等数字控制可以轻松动态调整停机时间并将设计从单相扩展到多相。

“EPC 为 DC-DC 项目实施 dSPIC33CK 系列有几个原因，我可以总结为以下几点：价格、低功耗、小尺寸。能够以 250 ps 的增量进行预设的死区时间的精确控制尤为重要，因为eGaN 器件的许多客户都在更高的频率（例如 2 MHz）下工作并且对功率损耗非常敏感，而功率损耗会因所需的长死区时间而加剧。今天的模拟控制器，”Lidow 说。

GaN 允许您增加开关频率而无需支付任何噪声损失。这一优势允许在功率级中使用更小的无源元件和更快的瞬态响应。

在这些情况下，控制电路必须更快。对于当今1MHz以上的开关电源，需要在几百ns内完成采样和转换。计算延迟也必须在这个相同的范围内。现代数字控制器可以满足这些要求。

分立式 GaN 解决方案的速度无疑比硅等效方案更快。使用数字控制，它们可以变得更加高效和小巧。编程以及相关固件消除了许多设计瓶颈。

氮化镓测试

大多数半导体的应力条件涉及电压、电流、温度和湿度等参数的测试，如表 1 所列。

表 1：eGaN FET 的应力条件和固有失效机制

测试条件必须大大超过设备或电路板的限制，注意可能引发故障的过度条件。Alex Lidow 强调，对于 GaN 设计师来说，两种类型的应力是必不可少的，也是最令人担忧的：栅源电压应力和漏源电压应力。

图 1 显示了数百个设备在不同电压和温度下的故障结果转换为平均故障时间 （MTTF）。查看右侧的图表，在 V GS为 6 V DC 的情况下，您可以预期 10 年内发生 10 到 100 百万分率 （ppm） 的故障。然而，Lidow 表明，推荐的栅极驱动电压为 5.25 V，并且此电压下的预期故障率在 10 年内低于 1 ppm。

图 1：（左）EPC2212 eGaN FET 的平均故障时间 （MTTF） 与25 o C 和 120 o C 下的V GS。（右）图表显示了25 o C 时的各种故障概率与 V GS

动态电阻 （ RDS（on） ） 一直是早期 GaN 器件中令人担忧的故障机制。由于强电子俘获，当器件暴露于高漏极电压 （V DS ）时，R DS（on）增加，因此电阻更大。在最高温度条件下的 V DS直流电压下，用于俘获的电子候选来自 I DSS，其数量级为 uA。为了加速捕获，可以增加 V DS电压，如图 2 所示。

图 2：在不同电压和温度下随时间获取的设备故障数据被统计转化为随时间、温度和电压的故障率预测

“图表右侧显示了在各种 VDSS 下 1 ppm （0.0001%）、100 ppm （0.01%） 和 10，000 ppm （1%） 失效的时间。在此 100 V 器件的最大标称 V DS下，1 ppm 故障率远高于 10 年线，”Lidow 说。

所有这些测试的目标是获得有效的产品。Lidow 指出，从 2017 年 1 月至 2020 年 2 月，在汽车和电信领域的主要 EPC 应用中，eGaN FET 解决方案的现场使用时间超过 1230 亿小时。总共有 3 个设备单元发生故障。

上述主要应力条件可以作为直流极化连续施加，可以循环打开和关闭，并且可以作为高速脉冲施加。类似的电流应力条件可以应用为 DC 直流或脉冲电流。此外，从热学的角度来看，可以使用相同的标准施加应力，在这种情况下，通过在预定的极端温度下运行设备一段时间，或者可以以各种方式循环温度。最终目的是获得要分析的一系列故障，定义导致故障的机制。

审核编辑：郭婷