德州儀器 (TI ) 推出了適用于汽車和工業(yè)應(yīng)用的下一代 650 和 600V 氮化鎵 (GaN) 場效應(yīng)晶體管 (FET)。新的GaN FET系列通過使用 GaN-on-Si 技術(shù)和集成的快速開關(guān) 2.2-MHz 柵極驅(qū)動器，根據(jù)數(shù)據(jù)表規(guī)格實現(xiàn)了 99% 的效率

電動汽車的日益普及正在改變行業(yè)，對緊湊輕巧的電源管理解決方案的強烈需求同時又不影響車輛性能。同時，設(shè)計更高效、更具成本效益的工業(yè)解決方案將減少排放，為更清潔的環(huán)境做出貢獻(xiàn)。

在接受 Power/EE Times 采訪時，德州儀器 (TI) 負(fù)責(zé)高壓電源的副總裁 Steve Lambouses 和 GaN 產(chǎn)品線經(jīng)理 Steve Tom 強調(diào)了使用新型 GaN FET 如何減小工業(yè)電源管理解決方案的尺寸環(huán)境，尤其是電動汽車 (EV) 中的充電器和 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，它們將有助于延長電池壽命。

電力行業(yè)趨勢

世界對更多能源的需求將繼續(xù)增長，而產(chǎn)生更多電力的能力將更加有限。德州儀器強調(diào)半導(dǎo)體創(chuàng)新將彌合差距，使世界能夠以更少的功率做更多的事情。“我們可以看到該行業(yè)的 5 個趨勢，”Lambouses 說。他補充說：“功率密度，增加功率密度可以在降低系統(tǒng)成本的情況下實現(xiàn)更多系統(tǒng)功能。低 EMI，最大限度地減少對其他系統(tǒng)組件的干擾，并簡化工程師的設(shè)計和認(rèn)證流程。”

Tom 補充說：“其他主題包括延長電池壽命的低 Iq、提高精密模擬應(yīng)用可靠性的低噪聲和精度，以及在高壓和安全關(guān)鍵應(yīng)用中實現(xiàn)最高工作電壓和最高可靠性的隔離。”

雙極晶體管和 FET 晶體管很難滿足高功率需求。只有在犧牲效率、外形尺寸和散熱的情況下，它們才能提高功率密度——低效的開關(guān)會導(dǎo)致嚴(yán)重的汽車損耗。采用寬帶隙材料的快速開關(guān)技術(shù)帶來的好處包括減小系統(tǒng)尺寸和成本，以及提高效率。“所以為了優(yōu)化效率，我們通過集成來提高開關(guān)頻率，我們可以做到這一點，因為封裝電感很小，”湯姆說。

GaN 是一種用途極為廣泛的半導(dǎo)體材料，可以在高溫和高壓下工作——有助于有效滿足各種通信和工業(yè)設(shè)計的要求。電動汽車領(lǐng)域的挑戰(zhàn)之一是快速高效的充電。GaN 技術(shù)可以提供快速充電，從而更有效地使用能源。

在電動汽車中，高效的能源管理涉及電池及其充電、電池本身的安全性以及產(chǎn)品的成本效益。鋰離子電池可能占到汽車成本的 30%，“基于 GaN 的解決方案可以將損耗降低 40% 以上，”Lambouses 說。由于 GaN 的開關(guān)能力更強，它可以用更少的組件更有效地轉(zhuǎn)換更高的功率電平，如下圖 1 所示。

圖 1：比較硅設(shè)計與 GaN 設(shè)計的磁性功率密度（來源：德州儀器）

氮化鎵場效應(yīng)管解決方案

在大規(guī)模電源系統(tǒng)中，由于工藝技術(shù)不同，“標(biāo)準(zhǔn)”FET 與其柵極驅(qū)動器分開使用。這會產(chǎn)生額外的寄生電感，限制 GaN 的開關(guān)性能。共源電感顯著增加了開關(guān)損耗。

TI 新的工業(yè) 600 和 650-V（后者用于汽車）GaN 器件系列在 30 和 50-mΩ 功率級集成了 GaN FET、驅(qū)動器和保護(hù)功能，為低于 100 W 到 22 千瓦。

“具有集成柵極驅(qū)動器的 GaN FET，例如 LMG3425R030，可以在 150 V/ns 的壓擺率下最大限度地減少寄生電感，同時提供比分立 GaN FET 低 66% 的三象限損耗和更高的 EMI 衰減，”Tom 說.

圖 2：600V GaN FET 與柵極驅(qū)動器和短路保護(hù)的集成（來源：德州儀器）

在考慮長期影響時，正如 TI 所強調(diào)的那樣，這種實施與效率特別相關(guān)。新型氮化鎵 FET 可降低轉(zhuǎn)換損耗并簡化熱控制設(shè)計。

“過流和過熱保護(hù)功能的集成通過提供自我監(jiān)控來保護(hù)系統(tǒng)免受常見電源故障情況的影響，”Lambouses 說。

高度集成的氮化鎵器件通過集成功能和保護(hù)特性，可以更有效地提高可靠性并優(yōu)化高壓電源的性能。與硅 MOSFET 不同，GaN 在第三象限中以“類二極管”模式導(dǎo)電，并通過降低電壓降來最大限度地減少死區(qū)時間。TI 在 LMG3425R030 和 LMG3425R050 中的理想二極管模式進(jìn)一步最大限度地減少了供電應(yīng)用中的損耗。

“這些解決方案的主要優(yōu)勢可以概括為以下幾點：在 1U 機架式服務(wù)器中，它可實現(xiàn)兩倍的功率輸出，與硅 MOSFET 相比功率密度增加一倍；在 AC/DC 供電應(yīng)用中效率高達(dá) 99%；用于電源單元 (PSU) 的集成式高速保護(hù)和數(shù)字溫度，”Tom 說。

死區(qū)時間損耗與器件的反向?qū)妷河嘘P(guān)。對于 Si MOSFET，該電壓由其體二極管的特性決定。對于 GaN，反向?qū)妷喝Q于第三象限特性（圖 3 和 4）。

圖 3：GaN FET 橫向結(jié)構(gòu)的橫截面（來源：德州儀器）

圖 4：GaN 在第一和第三象限中的簡化行為（來源：德州儀器）

LMG3522R030-Q1 和 LMG3525R030-Q1 650-V 是該系列的汽車級。“它們通過 2.2 MHz 集成柵極驅(qū)動器減小了車載電動汽車 (EV) 的尺寸，”湯姆說。

所有版本都具有可在各種應(yīng)用中快速實施的電路板。它們配置為具有插座式外部連接，以便與外部功率級輕松連接。

結(jié)論

開關(guān)電源設(shè)計人員不斷尋求在提高效率的同時增加功率密度。GaN 器件使解決方案具有比超級結(jié) FET 更高的功率密度。但同時，它們還需要仔細(xì)的電路、工藝和材料工程：即高質(zhì)量 GaN 晶體生長、介電優(yōu)化和測試優(yōu)化，通過新的 JEDEC JC-70 指南進(jìn)行氮化鎵功率轉(zhuǎn)換的開關(guān)可靠性評估程序設(shè)備。

審核編輯：郭婷