通过单片GaN集成提高性能，同时减小尺寸和成本

15 V 至 350 V 范围内的氮化镓 （GaN） 异质结场效应功率晶体管已被证明在功率转换、电机驱动和激光雷达脉冲光等应用中在效率、尺寸、速度和成本方面比硅具有显著优势。这些优势是由于临界电场比硅高一个数量级，特别是在带隙方面有3倍的优势，在电子迁移率方面有1.3倍的优势。

由此产生的设备切换速度更快，物理尺寸更小，R 更低DS（on），并且可以承载更高的固有电流[1]。当今的大多数GaN晶体管都具有横向结构，允许将许多晶体管经济高效地集成到单个基板上，如图1所示[2]。

图1. 

显示GaN集成电路构建模块的横截面。图片由 Bodo 的动力系统提供 

分立式栅极驱动器

每个功率晶体管都与栅极驱动器紧密配合，作为电力电子开关转换器的基本构建模块。对于导通，栅极驱动器从去耦电容中充电并将其输送到功率晶体管的栅极电容，电流从功率晶体管的源返回去耦电容。对于关断，栅极驱动器将栅极连接到源极，以从栅极中移除电荷。高转换速度是高频工作的关键，栅极驱动器必须克服导通和关断环路的电阻和电感，才能获得在高频下工作的高效解决方案。这意味着一个强大的（低电阻）驱动器和一个低环路电感。

图2显示了电源模块分立解决方案的导通（a）和关断（b）栅极驱动环路及其杂散电感。杂散电感来自走线和互连，例如引线键合、焊料凸点和 PCB 走线。GaN器件是横向的，所有电气连接都在同一表面上，允许具有焊料凸点的晶圆级封装。它们的电感比具有垂直结构的硅MOSFET所需的引线键合或夹子低得多。具有栅极驱动器的GaN晶体管的分立实现方案具有电容器等效串联电感（ESL）的电感、栅极驱动器V的焊料凸点或引线键合DD/ 5党卫军，以及功率晶体管栅极和源极的焊锡凸点，以及PCB走线。这些电感阻碍了功率晶体管栅极电容的充电和放电，从而减慢了开关速度并增加了换向损耗。

特别值得关注的是共源电感（L.CS).这是栅极驱动和电源环路共有的电感。它由功率晶体管源极焊料凸块和分离点之前的任何源极PCB走线组成。良好的设计做法是将这些环路分离得尽可能靠近FET的源极。共源电感的影响是电源环路di/dt在L两端感应电压.CS从 V 中减去一般事务人员在导通期间应用于功率晶体管（并添加到 V一般事务人员关断期间），减慢电流换向并增加开关损耗[3][4]。

图片由 Bodo 的动力系统提供

b.图片由 Bodo 的动力系统提供 

c. 图片由Bodo's Power Systems提供 

d.

图2.

电源阻断栅极驱动环路：（a） 分立导通、（b） 分立关断、（c） 集成氮化镓导通、（d） 集成氮化镓关断。图片由 Bodo 的动力系统提供

考虑激光雷达激光驱动器等应用，需要在 100 ns 内打开 1 A。基本电子学告诉我们V = L di/ dt。50 pH 值 L.CS感应5 V，在栅极驱动阻抗两端留出0 V以开启功率晶体管，从而无法实现所需的DI/dt。虽然这个例子是极端的，但在电源转换和电机驱动应用中，实际、共源电感对电流换向时间的影响非常大。电流换向时间由公式1估算，其中电流换向所需的栅极电荷由（Q一般事务人员， p克（千））， RG为集总栅极驱动阻抗，V一般事务人员是支持换向电流所必需的功率晶体管栅极驱动电压，并且VDD是栅极驱动器电压。

t=ZG(QGS−QG(TH))+LCSIDVDD−VGS（1） 电流换向时间

E=t∗ID∗D2（2） 电流换向时间造成的能量损失

P=E∗fP=E∗f

（3） 电流换向时间造成的功率损耗

例如，考虑EPC2088 [5] 硬导通，在 50 MHz 时换向 25 V、1 A。一般事务人员= 4.4 nC， Q克（千）= 3.2 nC， ZG= RG（0.4 Ω） 加上 0.7 Ω 栅极驱动器电阻（忽略栅极驱动环路电感），VDD= 5 V， V一般事务人员@ 25 A = 2.3 V，L.CS= 100 pH值。The ZG公式1的项得到t = 600 ps换向时间。The L.CS项导致 1.14 ns 电流换向时间。在本例中，65%的电流换向时间是由共源电感引起的。使用公式2和公式3，每个周期在切换710 A和25 V时损失50 μJ的能量，仅在共源电感下在710 MHz处消耗1 mW的功率。很明显，必须将共源电感降至最低，以实现尺寸减小和高频的系统优势。

其余栅极驱动环路电感对开关损耗的影响要直接得多，因为它们是RLC环路，其中电阻和电感阻碍栅极电容的充电，如果电感过高，则必须增加电阻以控制栅极过冲和振铃，从而进一步增加换向损耗。公式4显示了栅极回路临界阻尼所需的电阻，其中RG（开）是总导通栅极环路电阻，LG（on）是导通栅极环路电感，Lcs是共源电感，CGS（on）是换向电压下的FET栅源电容[4]。由于时间、能量和功率与共源电感成线性关系，因此高频功率转换需要特别注意封装和布局。

RG(on)≥√4×(LG(on)+LCS)CGS(on)��(��)≥4×(��(��)+���)���(��)（4） 临界阻尼所需的阻力

考虑一个集成电路，其中功率晶体管与栅极驱动器集成在一起。这种集成消除了导通（图2 （c）和关断（图2 （d）栅极驱动路径中的所有外部共源电感，由IC设计人员来最小化内部共源电感。仔细放置VDD和VSS端子有助于系统设计人员最大限度地降低走线电感，使电容器等效串联电感（ESL）以及VDD和VSS焊料凸块成为导通栅极驱动环路电感的唯一重要来源。对于关断栅极驱动环路，所有电感都将包含在IC内，使其达到绝对最小值。

除了减少栅极环路和共源电感外，将栅极驱动器与功率晶体管集成还提供了将栅极驱动器与功率晶体管匹配以获得最佳驱动强度的机会。例如EPC21601（单端40 V）、EPC21603（LVDS 40 V）和EPC21701（单端100 V）。

图3.

EPC23102的功能框图。图片由 Bodo 的动力系统提供 

这些GaN IC设计用于需要在大于15 MHz时切换100 A的间接飞行时间。

氮化镓集成中的增强功能

GaN集成中增强功能的示例包括EPC的ePower级IC，例如EPC23102[6]。这些IC配置为半桥，集成了全功能栅极驱动器，包括电平转换器、上电复位、交越保护和延迟匹配。ePower级IC的功能框图如图3所示。这些 IC 设计用于各种应用，从频率在 10s 到 100s kHz 之间的电机驱动器到高达 3 MHz 的高频 DC-DC 转换器。在这个频率范围内，开关速度必须能够在不影响内核栅极驱动性能的情况下得到控制。

GaN集成的主要优势之一是N沟道FET用于栅极驱动器的输出级。使用 N 沟道 FET 驱动功率 FET 的导通，允许电阻控制导通，以控制开关压摆率，从而控制过冲和振铃。这是控制EMI的一个重要因素，可以在不影响栅极驱动器的其他特性的情况下实现。带有栅极驱动器的集成功率FET的功能框图如图4 （a）所示。

图片由 Bodo 的动力系统提供 

b.

图4.

（a） GaN集成功率级的功能框图，（b）9177 V输入时EPC48开关节点开启，R时10 A输出上= 2.2 Ω.图片由 

Bodo 的动力系统提供 

EPC9177 [7] 是一款使用EPC23102的开环半桥开发板。R 为 2.2 Ω上，在48 V、10 A时，导通开关节点波形得到很好的控制，如图4（b）所示。减少开关节点振铃对于控制EMI至关重要。

氮化镓集成结论

GaN集成为许多高频应用提供了许多系统优势。集成降低了栅极驱动电感和共源电感，从而提供了快速的电流换向速度。它允许调谐换向，以减少开关节点中的过冲和振铃，这对于EMI控制至关重要。它通过减小元件尺寸和提高频率来减小系统尺寸和成本。GaN集成减少了元件数量，降低了系统成本和尺寸，同时降低了供应链成本。GaN集成才刚刚开始，其收益肯定会随着时间的推移而增加。

引用

[1] Lidow，Alex，de Rooij，Michael，Strydon，Johan，Reusch，David和Glaser，John，GaN晶体管用于高效功率转换，第三版，John Wiley & Sons Ltd，2020年，第2-5页。

[2] Lidow，Alex，GaN 功率器件和应用，第 1 章，高效功率转换公司，2022 年，第 16 页。

[3] Lidow， Alex and Strydom， Johan， eGaN FET Drivers and Layout Considers， 2016.

[4] Lidow，Alex，de Rooij，Michael，Strydon，Johan，Reusch，David和Glaser，John，GaN晶体管用于高效功率转换，第三版，John Wiley & Sons Ltd，2020年，第41 - 54页。

[5] EPC2088数据表 - 2022 年。

[6] EPC23102数据表 -2023 年。

[7] EPC9177开发板快速入门指南 -  2023.

审核编辑 黄宇