【導讀】氮化鎵 (GaN) 高電子遷移率晶體管 (HEMT) 為電源系統設計人員提供了一個令人興奮的新選擇。與硅 MOSFET 相比，GaN HEMT 使他們能夠顯著降低開關損耗并提高電源效率，并支持更高的開關頻率，從而減小系統尺寸和重量。
氮化鎵 (GaN) 高電子遷移率晶體管 (HEMT) 為電源系統設計人員提供了一個令人興奮的新選擇。與硅 MOSFET 相比，GaN HEMT 使他們能夠顯著降低開關損耗并提高電源效率，并支持更高的開關頻率，從而減小系統尺寸和重量。
但卓越的性能并非沒有代價：GaN HEMT 比硅 MOSFET 更難驅動。硅 MOSFET 需要一個簡單的 +10 V 驅動電壓，并且可以處理高達 20 V 的瞬變而沒有損壞的風險，而 GaN HEMT 通常僅能接受 +6 V 的最大柵極驅動電壓，并指定+5 V 的最佳柵極驅動電壓。關斷條件也必須仔細管理，一些 HEMT 需要負驅動電壓以保證器件不會意外導通。因此，GaN HEMT 需要比硅 MOSFET 更嚴格地控制柵極驅動器的操作。
這使得結合了 HEMT 和柵極驅動器的集成系統級封裝 (SiP) 極具吸引力：HEMT 制造商可以為 HEMT 選擇最佳驅動器。在集成 SiP 中，制造商還將實施優化的柵極驅動電路。這種優化電路的主要好處是性能和可靠性不受寄生電感的影響，而寄生電感是用分立元件構建的電路容易產生的。
圖 1 顯示了寄生電感發生的位置：
· LS1 是柵極走線引起的寄生電感，柵極走線通過電阻將柵極驅動器的驅動引腳連接到晶體管的柵極
· LS3 是反饋回路產生的電感，反饋回路將晶體管的源極引腳連接到柵極驅動器的 COM 引腳
· LS2 是源極支路的雜散電感，它也會影響電源環路
圖 1：顯示寄生電感來源的簡化柵極驅動器電路
寄生電感與快速開關轉換時的米勒電容相結合，會在柵極處引起振鈴和過沖或下沖電壓尖峰。在最好的情況下，這只會產生 EMI 并降低效率；在最壞的情況下，它實際上會損壞晶體管。
一般來說，走線越寬、柵極驅動回路越短越好。通過將驅動器和晶體管組合在一個封裝中，柵-源回路保持非常短，從而導致寄生電感大大低于具有分立 HEMT 和驅動器的電路。
事實上，最好的集成器件在柵極驅動環路中具有極低的雜散電感。這幾乎消除了柵-源電壓振鈴，并具有以下效果：
· 降低柵極結構的應力，從而提高 HEMT 的可靠性
· 降低驅動器輸出端的阻尼電阻。可實現更快的開關，從而降低開關損耗。
集成器件還在電源環路中提供較低的雜散電感，從而大大減少漏-源電壓尖峰。從而實現：
· 更低的開關損耗
· 低 EMI
· 更低的漏-源電壓應力，更高的可靠性
最重要的是，集成器件減少了元器件數量和電路板占用空間。設計人員目前在市場上可以找到的一些 650 V、150 mΩ HEMT 的封裝尺寸為 8 mm x 8 mm。在應用中，它們需要分立式柵極驅動器和柵極驅動電阻器。相比之下，英飛凌的 IGI60F1414A1L 這款 CoolGaN? 集成功率級 (IPS) 器件結合了半橋功率級，該功率級由兩個 600 V/140 mΩ 增強型 GaN 開關和專用柵極驅動器組成，采用散熱增強型 8 mm x 8 mm QFN-28 封裝。
不同的產品針對不同的設計要求
這些優勢，包括更容易的設計實施、更低的寄生電感和更小的電路板占用空間，促使所有主要的 GaN HEMT 制造商在提供分立式 HEMT 和 GaN 驅動器的同時開始構建集成器件產品組合。
但某些折衷與集成器件的使用有關。首先是客戶的生產與制造商和器件的聯系更加緊密：與在許多情況下具有行業標準封裝的分立 HEMT 和分立驅動器不同，集成驅動器可能具有更少的引腳或封裝兼容的替代產品。
除此之外，集成還要求制造商決定如何折衷并滿足不同類型應用的需求。這意味著當今市場上的集成 GaN 產品之間存在重要差異。
市場上產品差異最明顯的是：
· 是否針對特定拓撲進行了優化
· 器件是否提供調整操作的方法，以犧牲效率為代價將電磁輻射降至最低
· 除了驅動器和 HEMT 之外，器件中集成的附加功能
特定拓撲的集成式 GaN 產品
隨著 MasterGaN 系列的推出，意法半導體在集成 GaN 產品市場上占據了獨特的一席之地。這是因為這些 GaN SiP 率先采用對稱或非對稱配置的集成半橋，并搭配優化的 600 V 半橋驅動器。
意法半導體創建了一個由五個系列組成的 MasterGaN 產品系列，以滿足大多數客戶使用的各種拓撲及其應用所需的額定功率范圍。因此，如圖 2 所示，MasterGaN2 和 MasterGaN3 產品僅用于有源鉗位反激式轉換器，因為這種拓撲結構要求低邊的導通電阻低于高邊的導通電阻。意法半導體的新參考設計 EVLONE65W 展示了將 MasterGaN2 與 ST-ONE 一體式數字電源控制器結合使用時可以節省多少空間。EVLONE65W 是一款基于有源鉗位反激拓撲的 65W USB Power Delivery 3.1 充電器板。EVLONE65W 的尺寸為 5.8 cm x 3.2 cm x 2.0 cm，可實現 30 W/in3 的高功率密度。
圖2：意法半導體推出業界首款集成GaN半橋產品 MasterGaN系列
對于 LLC 諧振拓撲，MasterGaN1、MasterGaN4 和 MasterGaN5 系列提供對稱配置，支持高達 400 W 的額定功率。
事實上，富昌電子開發了一個名為 GaNSTar 的功能豐富的開發平臺，可使用 MasterGaN1 驅動最大 500 W 的負載。GaNSTar 實現了一個 96% 效率的 LLC 諧振 DC-DC 轉換器。它受益于在電路板的 STM32G4 微控制器和示例性熱設計上運行的精確數字控制方案。
然后，MasterGaN 產品針對兩種軟開關拓撲之一進行了優化。相比之下，來自GaN 開關的其他重要供應商的集成 GaN 器件，如安森美在 2022 年底之前發布的 650 V 集成驅動器 GaN 產品，以及英飛凌的 IGI60F1414A1L CoolGaN IPS 器件，可處理硬開關并適用于任何應用拓撲。例如，安森美正在開發的評估板實施了轉換器設計，包括一個 500 W 圖騰柱功率因數校正轉換器、一個 65 W 反激式轉換器和一個 300 W LLC 轉換器。
管理 EMI 與效率的折衷
然而，在另一方面，英飛凌 CoolGaN IPS 系列與市場上所有其他集成 GaN 器件不同。這些英飛凌器件使電源系統設計人員能夠訪問晶體管的柵極，并配置柵極驅動電阻器/電容器，以調整 dV/dt 比率，如圖 3 所示。這種獨特的功能使設計人員能夠管理開關損耗、電磁輻射和過沖之間的平衡，這在對 EMI 高度敏感的應用中非常有價值。然而，有一個折衷：增加可選的外部電阻器會延長柵-源回路，如上所述，這會增加寄生電感。
圖 3：外部電阻器控制 CoolGaN IPS 器件中的 dV/dt 比率
與安森美一樣，英飛凌擁有一系列基于 CoolGaN IPS 系列的參考板設計，包括用于高密度電源適配器的 65 W 準諧振反激式轉換器和 65 W 有源鉗位反激式轉換器。
更深入的集成以減少元器件數量和電路板占用空間
優化的驅動器與其 GaN HEMT 的集成提供了部分價值，因為它減少了開發時間和工作量。然而，正如 Power Integrations 所展示的那樣，這種優勢可以擴展到驅動器的集成之外。正如其名字一樣，Power Integrations 專注于提供多功能產品。例如，InnoSwitch?3 和 InnoSwitch4 低功耗 AC-DC 轉換器是集成了 PowiGaN? GaN 晶體管、同步整流器控制器和 FluxLink 隔離式反饋鏈路的反激式控制器。這些器件最大限度地縮短了柵-源回路的長度，使設計人員能夠在高達 110 W 的功率水平下實現非常緊湊和高效的設計。
Power Integrations 還提供 HiperPFS-5，這是一款帶有集成 750 V PowiGaN GaN 開關的功率因數校正控制器。
評估 Power Integrations 產品的一個有效方法是使用富昌電子的 TobogGaN 電源板，如圖 4 所示。這是一個基于 InnoSwitch3-Pro 集成反激式控制器模塊的 60 W AC-DC轉換器，其中包括一個初級側的 PowiGaN GaN 開關。TobogGaN 系統采用通用市電輸入運行，滿載時效率高達 92%，提供 5 V 至 20 V 之間的可編程輸出。
圖 4：富昌電子的 TobogGaN 板是一款額定功率高達 60 W 的反激式轉換器
Power Integrations 并沒有獨占這部分市場：同樣值得注意的是意法半導體的 VIPerGaN 產品。VIPerGaN50 是一款與 GaN 功率開關配對的準諧振反激式控制器。它采用市電輸入運行，支持高達 50 W 的負載。意法半導體還提供額定功率為 65 W 的 VIPerGaN65 和 100 W 的 VIPerGaN100。
市場對需求刺激的反應
集成 GaN 驅動器的多樣性反映了制造商試圖把握市場脈搏：隨著對 GaN 產品的需求從低基數快速增長，目前無法確定客戶是否將優先考慮寄生電感的效率和最小化，而不是自由控制 dV/dt 率。
可以肯定的是，市場將繼續快速增長，GaN器件制造商正在大力投資開發和生產，以滿足這一需求。令人高興的是，客戶可以期待越來越多的產品可供選擇，以優化他們高效、高密度的基于 GaN 的電源系統設計。
開發套件
支持的元器件：MasterGaN1
板型號：富昌電子的GaNSTar
說明：
這款效率為 96% 的 LLC 諧振 DC-DC 轉換器得益于在意法半導體STM32G4 微控制器上運行的精確數字控制方案。
支持的元器件：InnoSwitch3-Pro
板型號：富昌電子的TobogGaN
說明：
這款 60 W AC-DC轉換器基于 Power Integrations InnoSwitch3-Pro 集成反激式控制器模塊。TobogGaN 系統采用通用市電輸入運行，滿載時效率高達 92%，提供 5 V 至 20 V 之間的可編程輸出。
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