采用GaN功率IC简化电力电子设计

早期的氮化镓(GaN)功率器件需要复杂、昂贵且频率受限的外部电路，以及复杂的封装来保护和控制脆弱的栅极，这严重限制了市场的采用。

单片集成的GaN功率IC的引入，将驱动、逻辑和场效应管集成在一个芯片上，是向前迈出的重要一步。这种信号与功率的强大融合提供了一种坚固的解决方案，易于使用，并极大简化了整体系统设计。本文强调了一些早期GaN技术的困难，介绍了新款GaN功率集成电路，并展示了利用这一新革命性技术设计的高频转换器示例，这些应用具有基准效率、高功率密度和低系统成本。

 

AllGaN™与GaN功率集成电路

 

氮化镓(GaN)是一种宽禁带材料，能够承受高电场，因此可以实现高载流子密度。具有AlGaN/GaN异质外延结构的二维电子气(2-DEG)在通道和漏极漂移区域提供了很高的迁移率，与硅(Si)和碳化硅(SiC)相比，电阻显著降低。创建横向器件结构可以实现极低的电荷，以支持高速操作，并且还允许集成。

图1

 

AllGaN™是业界首个GaN功率集成电路工艺设计工具包(PDK)，它允许将650V GaN IC电路(驱动、逻辑)与GaN FET单片集成。其他功能也可以包含在内，例如滞后数字输入、电压调节和静电放电(ESD)保护——所有这些都在GaN内实现(见图1)。这种驱动与开关的单片集成，在垂直GaN、dMode GaN或SiC中是无法实现的。

 

AllGaN栅极解决方案：易于驱动

 

最早的GaN功率器件是dMode(耗尽模式)，这意味着需要额外的硅FET以“级联”方式保持其关闭，这导致封装电感和成本的负面影响。后来，eMode(增强模式)GaN分立器件具有脆弱的栅极和非常低的阈值电压。这使得它们对噪声和电压尖峰非常敏感，尤其是周围开关模式转换器电路产生的高频和高dv/dt噪声，因此需要复杂且昂贵的控制和栅极驱动电路(见图2左)。此外，这两种实现方式都限制了GaN开关的高频性能，几乎没有超过硅的优势，从而限制了市场的采用。

图2

 

在AllGaN解决方案中，GaN FET的栅极由上游集成的GaN驱动器安全、精确和高效地驱动。来自标准、低成本、低电压“无驱动”控制IC的简单、稳健的低电流3.3V、5V或15V信号直接馈入GaN功率集成电路，实现易于设计、元件数量少的设计(见图2右)。

 

波形呈现出真实的“教科书”效果，升降沿非常干净，没有振铃，并且开关的开启和关闭传播延迟极快(见图3)。集成消除了栅极过冲和欠冲，同时芯片上的零电感确保没有关断损耗。这种没有振铃/过冲的特性使得在半桥电路中轻松控制死区时间。

 

图3

 

这种卓越的快速和安静的开关性能，加上集成的栅极驱动和简单的PWM输入，使得能够设计多种不同的高频功率转换器，实际速度提升超过10倍，从65/100kHz提高到超过1MHz。

 

GaN功率集成电路的电气和机械布局简便

 

在高频分立设计中，需要更多的设计时间来调查并消除或减少寄生电感，例如器件之间的串扰和更多的PCB层。同时，栅极驱动解决方案可能需要铁氧体珠来保护栅极，但这会减慢应用速度。传统的高电感封装，如TO220，体积庞大并限制系统性能。

 

采用行业标准的低电感表面贴装QFN封装，GaN功率集成电路实现了高性能、低成本解决方案，并具有最高功率密度。数字输入意味着设计的灵活性，GaN器件可以放置在主板或子卡上，距离控制IC远或近。

 

AllGaN应用

 

为了实际评估AllGaN在真实功率电子应用中的表现，让我们看一下在临界导通模式(CrCM)下运行的150W PFC升压转换器——也称为边界导通模式(BCM)，具有自振荡频率。由于现有硅输入/输出电容限制，传统电路通常运行在65kHz或100kHz。

 

现在，借助快速开关和低电感的GaN功率集成电路，该板的频率保守性地提高到200kHz到1MHz的范围，以展示新GaN功率集成电路的性能，并验证在提高频率时的功率密度优势。

图4

 

该电路布局和布线简单，5x6mm的QFN GaN功率集成电路位于关键的升压开关节点旁，而控制器则放置在稍远的位置，靠近关键的检测节点。然后，将简单的PWM信号在两个模块之间布线，以实现升压开关的开启/关闭控制。所有功率组件均在2层、2盎司PCB的底面表面贴装，以便进行单次波焊接合整个电路板。通过使用通孔进行热管理，不需要额外的散热片。

 

该电路板在满载时的峰值效率超过98%(GaN功率集成电路运行温度仅为61°C)，平均效率为97%(包括EMI滤波器和输入桥整流器)，功率因数超过99.5%。相比之下，使用8x8mm QFN“CP”超结硅FET的同一电路板无法在200kHz以上运行，轻载时温度超过160°C。

图5

 

随着开关频率的增加，储能元件(例如升压电感)的尺寸减小。在这里，升压电感采用3F36核心材料和Litz导线(源自德语的Litzendraht，意为编织/绞合线)。在低电压/满载条件下，典型的“100kHz” 150W电感需要约400uH的电感和RM14的核心尺寸。而这种设计在频率仅增加4倍的情况下，仅需150uH和RM10的核心尺寸——核心尺寸减少了80%。普通和差模EMI电感还可以进一步节省尺寸和成本。

 

虽然该电路板是为演示目的设计的，但其尺寸仍只有165 x 45 x 20mm，允许客户根据需要优化尺寸和定制外形。

 

GaN功率集成电路在电源设计中的应用

 

借助GaN功率集成电路，高性能、高频率的功率转换器设计现在变得简单，而不再面临复杂且昂贵的栅极驱动和布局寄生电感相关的困难。

这一简单但革命性的成就为电源设计带来了巨大潜力。在多级转换器中，整体系统架构设计的灵活性显著增加。例如，单个GaN功率集成电路模块可以靠近各自的功率电路放置，简单的PWM信号可以轻松从中央控制器路由到每个模块。

 

这种简单性与突破性性能的结合，最终使得高压GaN能够取代硅。