高效率和高功率密度是為當(dāng)今產(chǎn)品設(shè)計(jì)電源時(shí)的關(guān)鍵特性。為了實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，開(kāi)發(fā)人員正在轉(zhuǎn)向氮化鎵 （GaN），這是一種可實(shí)現(xiàn)高開(kāi)關(guān)頻率的寬帶隙半導(dǎo)體技術(shù)。與競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的功率半導(dǎo)體技術(shù)相比，GaN 最大限度地減少了所需無(wú)源元件的尺寸，同時(shí)降低了柵極驅(qū)動(dòng)和反向恢復(fù)損耗。

此外，半導(dǎo)體制造商正在將其 GaN 器件封裝在高度集成的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)封裝中，從而縮小印刷電路板 （PCB） 的占地面積要求，同時(shí)簡(jiǎn)化供應(yīng)鏈。

GaN 應(yīng)用

在 650 V AC-DC 轉(zhuǎn)換領(lǐng)域，變壓器外形無(wú)鉛 （TOLL） 封裝是電源設(shè)計(jì)的有效選擇。采用此封裝的器件可以集成 GaN 場(chǎng)效應(yīng)晶體管 （FET） 以及柵極驅(qū)動(dòng)器以及過(guò)流、過(guò)熱和短路保護(hù)電路，以最大限度地提高效率和可靠性。這些器件可以在圖騰柱功率因數(shù)校正 （PFC）、電感電容、相移全橋和雙有源橋電路拓?fù)渲泄ぷ鳌?/p>

圖 1 說(shuō)明了集成柵極驅(qū)動(dòng)器電路的優(yōu)勢(shì)。圖 1a 顯示了一個(gè)單獨(dú)的柵極驅(qū)動(dòng)器和 GaN 開(kāi)關(guān)。右側(cè)的等效電路顯示了柵極抑制回路中的許多寄生元件，包括驅(qū)動(dòng)器輸出電感 （Ldrv_out）、PCB 電感 （Lg_pcb） 和功率器件柵極電感 （Lg_gan）。圖 1b 顯示了左側(cè)的集成器件，電路模型（右）顯示寄生效應(yīng)降低到可以忽略不計(jì)的水平。

圖1. 分立驅(qū)動(dòng)器和開(kāi)關(guān)配置 （a） 引入了寄生效應(yīng)，在集成配置 （b） 中，寄生效應(yīng)減少到可以忽略不計(jì)的數(shù)量。

具有集成驅(qū)動(dòng)器和保護(hù)電路的 TOLL 器件可以服務(wù)于各種應(yīng)用，包括超大規(guī)模計(jì)算數(shù)據(jù)中心中使用的電源單元 （PSU），它們可以將交流電轉(zhuǎn)換為直流總線。在此類應(yīng)用中，提高功率密度至關(guān)重要，因?yàn)樵O(shè)備功率要求不斷增加，而 PSU 外形尺寸保持不變。

TOLL 器件可用于 PSU 的 PFC 和 DC-DC 轉(zhuǎn)換器級(jí)。德州儀器 （TI） 表示，其 GaN TOLL 器件能夠在 PFC 級(jí)實(shí)現(xiàn)超過(guò) 99% 的效率，在 DC-DC 級(jí)實(shí)現(xiàn)優(yōu)于 98% 的效率。

其他應(yīng)用也可以使用 TOLL GaN 器件，包括大屏幕電視和電動(dòng)汽車 （EV） 車載充電器。對(duì)于電視，集成的 TOLL GaN 器件使設(shè)計(jì)人員能夠?qū)㈦娫措娐罚òo(wú)源元件）安裝在薄型內(nèi)，同時(shí)提高功率密度。對(duì)于 EV，TOLL 器件支持車載充電電路，以實(shí)現(xiàn)高效率，同時(shí)安裝在車輛底盤(pán)內(nèi)。對(duì)于這兩種情況，TOLL 器件可以同時(shí)實(shí)現(xiàn) PFC 和 DC-DC 級(jí)。

另一個(gè)應(yīng)用是雙向光伏逆變器。它在一個(gè)方向上工作，可以將太陽(yáng)能電池板的直流輸出反轉(zhuǎn)為交流電網(wǎng)電壓，而在另一個(gè)方向工作時(shí)，它能夠使用交流電網(wǎng)的電力為備用電池充電。如圖 2 所示，TOLL 器件既可用于圖騰柱 PFC/逆變器級(jí)，也可用于雙向 DC-DC 轉(zhuǎn)換器級(jí)。

圖2. 這種微型逆變器設(shè)計(jì)采用 TOLL GaN 器件將太陽(yáng)能電池板的輸出反轉(zhuǎn)為交流電或轉(zhuǎn)換交流電壓為備用電池充電。TOLL 設(shè)備詳細(xì)信息

TI 的 LMG3650R035 650V GaN FET 就是其中一種適合此類應(yīng)用的器件，其導(dǎo)通電阻RDS（on） 為 35mΩ，最大漏極電流為 20A。為了最大限度地減少物料清單 （BOM） 數(shù)量和 PCB 空間，該器件采用 9.8 × 11.6 mm 的 TOLL 封裝，集成了柵極驅(qū)動(dòng)器電路和高級(jí)保護(hù)功能（圖 3）。

圖3. LMG3650R035集成了柵極驅(qū)動(dòng)器和保護(hù)功能。

集成柵極驅(qū)動(dòng)器支持可調(diào)節(jié)的柵極驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度，以允許獨(dú)立控制導(dǎo)通和關(guān)斷轉(zhuǎn)換速率。導(dǎo)通速率范圍為 10 至 100 V/ns，關(guān)斷速率范圍為 10 V/ns 至基于負(fù)載電流幅度的最大值。獨(dú)立調(diào)整有助于優(yōu)化開(kāi)關(guān)性能，同時(shí)最大限度地減少電磁干擾 （EMI）。

該器件通過(guò)感應(yīng)連接到其驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度選擇引腳的外部電阻-電容器網(wǎng)絡(luò)來(lái)確定啟動(dòng)時(shí)的編程轉(zhuǎn)換速率。啟動(dòng)后，該引腳承擔(dān)故障監(jiān)控的角色。

該柵極驅(qū)動(dòng)器還集成了欠壓鎖定 （UVLO） 功能以及過(guò)壓和過(guò)熱保護(hù)功能。最重要的是，它包括逐周期的過(guò)流保護(hù) （OCP） 功能和在 300 ns 內(nèi)響應(yīng)的鎖存短路保護(hù) （SCP） 功能。該器件在開(kāi)關(guān)時(shí)可承受 720V 浪涌。

該器件的版本具有零電壓檢測(cè) （ZVD） 功能、零電流檢測(cè) （ZCD） 功能或可為外部隔離器供電的 5V 低壓差 （LDO） 穩(wěn)壓器輸出。不同的版本將接地、5 V 輸出、ZVD 信號(hào)或 ZCD 信號(hào)分配給圖 3 框圖左下角所示的引腳。

評(píng)估模塊

為了幫助您開(kāi)始基于 LMG3650R035 的設(shè)計(jì)，TI 提供了 LMG3650EVM-114 評(píng)估模塊，這是一個(gè)子卡，可以作為更大的定制設(shè)計(jì)系統(tǒng)的一部分，也可以與 TI GaN 主板配對(duì)?？捎玫闹靼灏?LMG342X-BB-EVM，這是一款可支持高達(dá) 4 kW 的 DC-DC 降壓-升壓轉(zhuǎn)換器，以及 PFC23338EVM-107，這是一種可支持高達(dá) 3.6 kW 的 AC-DC 圖騰柱 PFC 級(jí)。

LMG3650EVM-114 卡本身包括兩個(gè)采用半橋配置的 LMG3650R035 GaN IC、兩個(gè)用于 GaN IC 故障信號(hào)的數(shù)字隔離器以及隔離的偏置和自舉電源。該卡還集成了兩個(gè)隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器，以實(shí)現(xiàn)與 TOLL 封裝的分立 GaN 器件的布局兼容性（圖 4）。

圖4. LMG3650EVM-114 卡將兩個(gè) LMG3650R035 個(gè) GaN IC 組合在一個(gè)半橋配置中，并帶有外圍電路。

對(duì)于基于該卡的設(shè)計(jì)測(cè)試，TI 建議使用 520V 直流電壓電源、12V、1.5A 直流偏置源、可產(chǎn)生 0 至 5V 方波且占空比可調(diào)的函數(shù)發(fā)生器、1GHz 示波器、直流萬(wàn)用表以及能夠在高達(dá) 650V 或 20A 下運(yùn)行的直流負(fù)載。

結(jié)論

GaN 技術(shù)在從大屏幕電視到光伏可再生能源系統(tǒng)的各種應(yīng)用中的功率轉(zhuǎn)換方面表現(xiàn)出色。將 GaN FET 與柵極驅(qū)動(dòng)器和保護(hù)電路集成在 TOLL 封裝中，有助于提高可靠性和功率密度。除了 GaN 產(chǎn)品組合外，TI 還提供評(píng)估模塊，可幫助您開(kāi)始基于 TOLL 產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。