使用GaN设计高效的高密度电源解决方案

基于氮化镓技术 (GaN) 的功率开关器件现已量产，并在实际功率应用中提供高效率和功率密度。本文将探讨如何使用 GaN 技术实施高功率解决方案，并提供应用示例，展示 GaN 器件如何在超过 600 伏的电压下也能有效工作。

GaN 器件在几个重要方面不同于一流的场效应晶体管 (FET) 和其他硅基组件。与基于硅的方法相比，GaN 器件可实现将功率密度提高两倍或更多倍的解决方案。因此，可以减小组件和封装尺寸，从而产生具有更小的 PCB 占位面积的解决方案。GaN 器件还提供比其前代硅器件更高的效率，尽管整体系统成本相对较高。

德州仪器 (TI) 的 GaN 解决方案，例如 LMG5200 (80 V) 和 LMG3410R070(600 V，具有 70-mΩ R DS(on))，已经实现量产，目前已用于许多客户应用。另一款 GaN 器件 LMG3410R050 目前处于预览阶段，并将在未来几个月内投入批量生产。

GaN 应用

GaN 器件的典型电源应用如图 1所示，其中需要将 230 伏交流电源电压转换为 48 伏直流电压，以便为机械臂供电。左侧是功率因数校正 (PFC) 级，最高效率为 99%，开关频率为 1 MHz。红色突出显示的是具有高开关频率和约 15 W/cm 3功率密度的 GaN 半桥示例. PFC 级产生的输出是恒定的 400 VDC，非常适合为图中心的 DC/DC LLC 电路供电。事实上，为了实现高效率，LLC 转换器需要一个恒定的输入电压。图 1 中所示的 DC/DC 转换器提供 97% 的效率、1 MHz 的开关频率、1 kW 的隔离输出功率和 8.5 W/cm 3的功率密度。图 1 中右侧的设备是电机驱动器，这是一个基于 LMG5200 的 4 至 8V/10A、三相、100kHz 逆变器。请注意没有散热器。功率密度非常高，为 30 W/cm 3。

图 1：交流电到电机的电源转换

为了更好地了解 GaN 技术相对于硅器件的优势，请考虑图 2中所示的晶体管。首先，输入端的栅极电容比类似的基于硅的解决方案低约四倍，由于降低了栅极驱动损耗，从而产生了更高的开关速率和更高的效率。另一个重要的好处是低输出电容/电荷，这会导致更高的开关频率，从而有助于降低开关损耗。此外，R DS(on)比硅器件低约两倍，从而导致更低的传导损耗。最后，使用该晶体管可以消除集成的“体”二极管，这意味着我们可以减少开关节点上的振铃并消除任何反向恢复损耗。

图 2：GaN over Silicon 解决方案的主要优势

集成驱动器和保护电路

德州仪器 (TI) 将驱动器完全集成到其 GaN 器件中，以减少 PCB 占用空间并简化整体设计。LMG3410 等完全集成的 GaN 功率器件包括用于降低电磁干扰 (EMI) 的低开关节点振铃(100V/纳秒开关，V ds振铃接近零)、额定小于 100 ns 的过流保护和过热关断. 分立式 GaN 器件需要外部驱动器和保护电路，这意味着额外的成本、更大的 PCB 面积以及重大的设计挑战。图 3 总结了具有集成驱动器的器件与分立 GaN 器件相比的优势。

图 3：与分立式 GaN 解决方案相比，集成驱动器具有多项优势。

驱动器偏置电压是需要仔细评估的第一个方面，因为它对性能和长期设备可靠性都至关重要。正如图4所示，氮化镓偏置电压应被调谐，以保持平均故障时间(MTTF)到一个安全值(即，水平虚线之上，对应于10年的寿命)。

图 4：MTTF 与栅源电压 (V(GS))

分立式 GaN 还需要适当的过流保护电路。在高频和压摆率下设计稳健的过流保护电路既困难又昂贵。寄生电感会导致开关损耗、振铃和可靠性问题，尤其是在高 GaN 频率下。使用集成驱动器，可以实现如图 5所示的信号形状。开关时间最短，上升时间为 10 2 V/ns。这意味着信号在不到 4 ns 的时间内从 0 V 上升到 400 V。

图 5：TI GaN 器件的开关时间

外部过流保护 (OCP) 和击穿保护电路还需要一个额外的检测电阻器。可能会选择具有较高值的电阻器以实现更好的信噪比 (SNR)。因此，功率环路和功率损耗都将增加，因为电压随时间的导数 (dV/dt) 会更低，从 100 V/ns 下降到 80 V/ns，并且由于检测电阻器。图 6总结了完全集成和定制实施的过流保护电路之间的比较，该图还显示了通过并联两个 12mΩ 电阻器获得的电阻分流器示例。

图 6：集成与外部 OCP 和击穿保护

GaN 应用：AC/DC 转换器

一个广泛的 GaN 应用是 AC/DC 转换。图 7说明了用于在工业、医疗、电信和服务器应用中实施电源单元 (PSU) 的典型拓扑。该转换器具有一个具有宽输入电压(85 至 265 VAC)的 PFC 级、一个 400 VDC 的恒定输出，以及一个能够提供不同输出电压(12、24 和 48 VDC)的 LLC 转换器。

图 7：GaN 器件的典型应用是 AC/DC 转换器。

转换器的 PFC 级可以根据图 8左侧的原理图实现，图中显示了典型的图腾柱配置，其中可以使用 600-V GaN 半桥或 G3410。PFC 电感器用于调节与输入电压同相的输入电流。图 8 的右侧显示了 LLC 电路的原理图，其中谐振由 L r、C r和 L m的值确定。这个阶段可以使用 GaN 器件来实现，例如 LMG5200，这是一种高压直接驱动 GaNFET，可提供快速开关并最大限度地减少半桥开关之间的死区时间。

图 8： PFC 和 LCC 级示意图

该解决方案提供高效率，将损耗降低高达 36%，并实现更高的功率密度(图腾柱 PFC 与硅相比高达 3 倍)。它还允许使用更少的散热器和更小的导体和电容器，从而在不增加成本的情况下减轻整个解决方案的重量。

考虑图 9 中所示的 1.6 kW 图腾柱 PFC 。该解决方案实现了 1 kW 的输出功率、高达 140 kHz 的开关频率、285 VDC 的输出电压(源自宽输入电压)和大约 10 W/cm 3 的功率密度。

图 9：使用 LMG3410 GaN 器件的图腾柱 PFC

如图 2 中的晶体管所示，低输出电容 (C OSS ) 很重要，因为它减少了死区时间，增加了电流传送到输出的时间。这也意味着更大的磁化电感和更低的循环电流损耗以及更低的变压器边缘场损耗。栅极驱动器损耗也可以降低，而系统优化可以通过增加开关频率、效率和功率密度来实现。图 10显示了相关波形，显示开关频率 (f SW ) 低于谐振频率 (f R )。死区时间和循环电流损失都明显减少。

图 10：减少半桥开关之间的死区时间

Texas Instruments 的 PMP20637(如图11所示)是一种高效、高功率密度、轻型谐振转换器 (LLC) 参考设计。它以固定的 1MHz 开关频率将 380V 至 400V 输入转换为 48V/1kW 输出。PMP20637 功率级实现了高于 97% 的峰值效率和大约 8.5 W/cm 3的功率密度。

图 11：TI PMP20637 参考设计

图 12提供了 GaN 和硅功率 MOSFET 器件效率之间的比较。如图所示，降低的电容和循环电流显着提高了低电流负载下的效率。有限的电阻也有助于在较高电流下略微提高效率。

图 12：GaN 和硅 MOSFET 器件的效率比较

GaN 应用：电机驱动

GaN 器件在电机驱动应用中具有显着优势。可以减少或取消散热器。GaN 还可减少或消除开关节点振荡，从而降低辐射 EMI，从而无需额外的缓冲网络。使用 GaN 器件还可以增加脉宽调制 (PWM) 频率，从而可以驱动极低电感的永磁电机或无刷直流电机。通过最小的转矩脉动可以获得更精确的伺服驱动器/步进器定位，并且可以实现频率高于 1 到 2 kHz 的更好的正弦电压——这是高速无人机电机的理想解决方案。

图 13：用于高速电机的 GaN 三相逆变器

图 13显示了用于高速电机的 48V/10A 三相逆变器。它包括三个 LMG5200 GaN 半桥。该逆变器接受宽输入电压范围(12 至 60 VDC/400 W)，开关频率为 100kHz，峰值效率为 98.5%，功率密度为 9.5W/cm 3。

图 14 中显示的温度曲线阐明了我们 48-V/10-A 逆变器的热性能。如图所示，不需要散热器;所有的热量都通过自然对流消散。当外部温度为 28°C 且器件在满载条件下以 100 kHz 开关时，最高温度达到 106°C。

图 14：包含三个 LMG5200 GaN 半桥的 48V/10A 逆变器的热性能

超越 600 V 的 GaN

西门子开发了一个基于 LMG3410R050 GaN 器件的高效电网链接的演示项目(图 15)。多电平双向 GaN 转换器将三相电网电源(400 VAC 线对线和 230 VAC 线对中性线)转换为 700 VDC 电压。具有 50mΩ R DS(on)的 LMG3410 的额定最大功率为 10 kW，双向。德州仪器 (TI) 的 Delfino 双核微控制器控制电源解决方案，还具有 Wi-Fi SimpleLink 连接。

图 15：基于 LMG3410R050 的高效电网链接

该演示应用程序展示了 GaN 器件如何为高达 10 kW 及以上的电源应用提供可扩展的电网解决方案，与硅设计相比，实现了 5 倍的磁性减少和 3 倍的功率组件减少。它还代表了一种用于遥测、控制和系统维护的支持云的解决方案。图 16总结了所有涉及功率器件的更多目标应用。

图 16：GaN 器件的其他目标应用

GaN 技术正在实现以其他方式无法实现的新一代电源转换设计。从交流电到负载点，功率密度最多可提高 3 倍。在开关频率为 1 MHz 的隔离式 LLC 转换器中，GaN 技术使磁性元件的尺寸和重量减少了 6 倍。将驱动器和 GaN 集成在一个低电感封装中，为快速(更高的开关频率)和可靠(更长的寿命)设备提供了最佳解决方案。

审核编辑：汤梓红