透過整合式GaN解決方案提高功率密度

作者 : TI

氮化鎵(GaN)是電力電子產業的熱門話題,因為這種化合物支援80Plus鈦電源、3.8kW/L電動車(EV)車載充電器和EV充電站等設計。

在許多應用中,由於GaN能夠提高功率密度和效率,因此取代傳統的矽金屬氧化物半導體場效應電晶體(MOSFET)。不過由於這種化合物的電氣特性和所支援的性能,使用GaN進行設計面臨與矽不同的諸多挑戰。

GaN FET有一些不同類型,分別具有不同的裝置結構 – 耗盡模式(d模式)、增強模式(e模式)和疊接到陰極(疊接),每個類型都有相對應的閘極驅動器和系統要求。本文將解說使用不同類型的GaN FET進行設計,來提高系統設計的功率密度所需考量的最重要因素,也會回顧閘極驅動器和電壓供應調節等整合功能如何顯著簡化整體設計。

每個GaN電源切換都必須與適當的閘極驅動器搭配。GaN裝置可以具有獨特的敏感閘極,因為這些閘極不是典型的MOSFET,而是高電子遷移電晶體(HEMT)。HEMT的橫截面看起來類似MOSFET;不過,電流不會流過整個基板或緩衝層,而是流過二維電子氣層。

GaN FET的閘極控制不正確會導致絕緣層、能障或其他結構元件的擊穿;這個裝置不僅會在這個系統條件下發生故障,而且也可能永久損壞。這種靈敏度需要探究不同類型的GaN裝置以及這些裝置的廣泛需求。HEMT也沒有形成p-n結的傳統摻雜FET結構,導致本體二極體。這表示沒有內部二極體會在運作過程中破壞或導致不良行為,例如反向復原。

E模式GaN FET看起來與你可能曾經使用的e模式矽FET相當類似。1.5~1.8V的正電壓將開始開啟FET,大多數運作條件指定為6V閘極閾值運作。不過,大多數e模式GaN裝置的最大閘極閾值為7V,違反這個閾值可能會導致永久損壞。

由於傳統的矽閘極驅動器可能無法提供適當的電壓調節或無法處理GaN設計中的高共模瞬態抗擾度,因此許多設計人員選擇如LMG1210-Q1的閘極驅動器,LMG1210-Q1是TI專為與GaN搭配使用而設計的閘極驅動器。無論電源電壓如何,這個裝置都能夠提供5V的閘極驅動電壓。傳統的閘極驅動器需要對閘極驅動器的偏壓電源進行相當嚴格的調節,以免對於GaN FET造成過大的壓力。相較於e模式GaN FET,疊接GaNGaN FET是容易使用的折衷方案。

GaN FET是d模式裝置,這表示正常開啟,而且需要負閘極閾值才能關閉裝置。這對於電源切換來說是相當大的問題,因此大多數製造商都加入與GaN FET串聯的30V矽FET做為一套裝置出售。GaN FET的閘極連接到矽FET的源極,並將導通和關斷閘極脈衝施加到矽FET的閘極。

這種方法的最大優點是傳統的隔離式閘極驅動器(例如 UCC5350-Q1)可以驅動矽FET,因此消除許多閘極驅動器和偏壓電源問題。疊接GaN FET的最大缺點是FET的輸出電容較高,而且在有本體二極體的情況下易受反向復原的影響。矽FET的輸出電容在GaN FET的基礎上增加20%,這表示,相較於其他GaN的解決方案,切換損耗增加20%以上。在反向導通過程中,矽FET的本體二極體會導通電流,並在電壓極性翻轉時進行反向復原。

 

 

 

 

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