GaN电源系统性能升级的奥秘

如今，以GaN和SiC为代表的第三代半导体技术风头正劲。与传统的半导体材料相比，GaN和SiC禁带宽度大、击穿电场强度高、电子迁移率高、热导电率大、介电常数小、抗辐射能力强……因此可实现更高的功率密度、更高的电压驱动能力、更快的开关频率、更高的效率、更佳的热性能、更小的尺寸，在高温、高频、高功率、高辐射等功率电子应用领域，不断在向传统的硅基IGBT和MOSFET器件发起强劲的冲击。

在这个第三代半导体技术的热潮之中，GaN相较于SiC，表现出了更高的成长性。根据Yole Development公司的预测，全球GaN功率器件市场规模将从2020年的4,600万美元，快速攀升至2026年的11亿美元，平均年复合成长率高达70%!

之所以会获得如此高的加速度，从2020年起GaN器件向智能手机快速充电器市场的成功渗透，功不可没。不过除此之外，GaN器件自身那些颇“招人喜欢”的特质，才是更根本的原因。

GaN的优势

由于特性的不同，GaN和SiC在功率电子领域有着明显的应用市场区隔：SiC器件可以提供高达1,200V的电压等级，并具有高载流能力，因此在汽车和机车牵引逆变器、高功率太阳能发电站和大型三相电网转换器等应用上优势明显;而GaN器件的电压等级通常为600V左右，但具有更高的开关品质、支持更高的开关频率，可谓是10kW以下应用的理想之选，因此应用领域广泛，涵盖消费电子、通信和工业交直流电源、电动汽车车载充电器、电源适配器、伺服驱动功率级等产品。

在10kW以下的市场，尽管SiC器件也有所涉猎，但是相较而言GaN在以下三个方面的优势更为突出。

首先，GaN FET采用的横向结构内没有PN结，因此也就没有体二极管和与其相关的反向恢复过程;而SiC FET中存在体二极管，开关时需要一个反向恢复过程，这就会带来额外的反向恢复损耗和时间，影响开关的功耗和速度。换言之，在10kW以下的应用中，GaN具有更出色的开关品质，可在更高开关频率下工作，这也使得采用更小体积的外围元件成为可能。

图1：不同功率电子器件的应用领域

(图源：TI)

其次，SiC器件需要采用更为昂贵的衬底材料以及专用的制造工艺，这会提高其应用的总体成本;而GaN器件可基于标准的Si衬底制成，其后继的降本空间更大。综合评估，GaN在总体拥有成本上，随着时间的推移会更具优势。

图2：不同FET技术的成本变化趋势

(图源：TI)

再有，由于GaN器件的制造工艺与传统的Si半导体工艺兼容性强，这就使得在同一器件封装中可以做更多的文章，比如‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍将驱动器和GaN FET集成在一起，以及增加其他更多功能，这无疑会对提升系统性能、优化设计、降低系统成本大有裨益。

集成驱动器

传统GaN器件应用系统都是采用分立的GaN FET和驱动器IC组合而成的，这是因为GaN FET和驱动器是采用不同工艺技术制造的，有的时候还需要选用不同供应商的器件。但是这种分立的架构在面对高压摆率开关应用时，就会遇到挑战，原因是不同器件封装和器件之间互连的焊线和引线会带来寄生电感，而这些寄生电感会导致开关损耗、振铃和可靠性等多方面的问题。

想要消除这些由寄生电感带来的问题，一个行之有效的解决方案就是：将GaN FET和驱动器集成在一个封装内，以大地减少寄生电感。

图3对GaN FET和驱动器分立封装架构和单一封装的集方案进行了比较，后者对于整个系统会带来哪些性能方面的提升，我们下面会做进一步的分析。

图3：GaN FET和驱动器分立架构(a)和集成封装(b)方案的比较(图源：TI)

共源电感

由于GaN FET的开关速率很高，这时共源电感这个寄生要素的影响就不得不考虑了。在图3a中，Lcs就是共源电感，在传统的TO-220分立封装中，GaN FET的源和由焊线流至引线，汲取电流和栅极电流都从这里流过。当包含焊线和封装引线的共源电感高于10nH时，就会限制压摆率，而较低的压摆率意味着更长的转换时间，进而导致更高的交叉传导损耗，增加总的开关损耗。

而如果采用图3b中的集成式封装，驱动器的接地直接焊接至GaN FET裸片的源极焊垫，大幅度地缩短了电源环路与栅极环路公用的共源电感路径，使得GaN器件能够以更高的电流压摆率进行开关，降低开关损耗。

栅极环路电感

栅极环路电感包括栅极电感和驱动器接地电感，其对开关性能影响巨大。在GaN FET关闭时，栅极被一个电阻器下拉，这个电阻器阻值要足够低，才不会在开关期间由于漏极被拉高而重新接通。这个电阻器与GaN器件的栅极电容和栅极环路电感组成了一个L-R-C槽路，当栅极环路电感值较大时，其品质因数Q会增加，产生更高的振铃，从而显著增加GaN FET栅极的应力——要知道，FET栅极上的过应力会对可靠性产生不良影响。

栅极环路电感还会影响到关断保持能力。当低管器件的栅极保持在关闭电压而高管导通时，低管漏极电容将一个大电流传送至栅极的保持环路中，这个电流会通过栅极环路电感将栅极VGS推上去，从而增加直通电流，而直通电流的提升会导致交叉传导能量损耗的增加。而且你会发现，当栅极环路电感较高时，减少栅极应力和增强器件关断保持，两者是很难兼得的。

GaN FET+驱动器的集成式封装显然是减少栅极环路电感的好办法。从图3中可以看出，分立架构中(图3a)，栅极电感包括驱动器输出焊线Ldrv_out、GaN栅极焊线Lg_gan和PCB迹线Lg_pcb，电感值通常从几nH到10nH以上;而如果是集成式封装(图3b)，则可以将栅极电感控制在1nH以下，这就为系统性能整体的优化提供了保障。

保护功能支持

为了确保GaN FET安全可靠工作，保护功能必不可少。比如过温保护可以在感测到温度超过保护阈值时，将GaN FET关闭。当GaN FET和驱动器被集成在一个封装内时，由于引线框架具有良好的导热性，也就能够确保两者的温度比较接近，使得过热保护设计更简捷高效。

对GaN进行电流保护时，需要GaN器件与驱动器之间具有低电感连接，这是因为以较大压摆率进行快速开关动作时，互连线路中额外的电感会导致振铃，并需要较长的消隐时间来防止电流保护失效。而集成式封装方案正好可以减少互连电感，让电流保护电路在需要的时候尽可能快地做出反应。

归纳一下，当我们将GaN FET和驱动器集成在单一封装中之后，可以消除共源电感，实现高电流压摆率;也可以减少栅极环路电感，降低关闭过程中的栅极应力并提升器件的关断保持能力;同时，还有助于支持高效可靠的过热和过流过压等保护功能的实现，可谓是一举多得!

TI的GaN功率级

Texas Instruments(TI)的LMG341x系列GaN功率级器件，就是采用“GaN FET + 驱动器”这种集成化封装，而且在其中还整合了丰富的保护功能，可让开发者充分利用GaN器件的优势，实现更高功率密度和更高效率的功率电子应用设计。

以该系列产品中的LMG341xR150为例，与传统的硅MOSFET相比，其具有超低的输入和输出电容值，零反向恢复特性可将开关损耗降低80%，且实现了更低的EMI和开关节点振铃，这些优势使其可作为图腾柱PFC之类的高密度、高效率拓扑设计的理想解决方案。

图4：LMG341xR150的系统框图

(图源：TI)

由于集成栅极驱动器，该器件实现了零共源电感，20ns的传播延迟确保其在MHz级频率下工作，在100V/ns开关条件下(用户可在25V/ns至100V/ns间调节压摆率)的Vds振铃几乎为零，因此LMG341xR150可以作为传统共源共栅GaN和分立GaN FET架构的替代产品，很大幅度地提高电源性能和可靠性，并大大简化设计。

图5：LMG341xR150在100V/ns时的开关性能

(图源：TI)

LMG341xR150还提供了强大的保护功能，包括过流保护(响应时间低于100ns，压摆率抗扰性高于150V/ns)、瞬态过压抗扰度、过热保护，以及针对所有电源轨的UVLO保护，且可提供自监控功能，这就省去外部保护组件，有助于简化设计的复杂性，降低系统成本。

毋庸置疑。GaN技术的推广和应用，为功率电子产品的升级提供了巨大的推动力。不过，想让GaN的优势特性充分发挥出来，除了在GaN器件本身的“雕琢”上精益求精，也需要充分考虑到整个电源系统的影响因素。事实证明，将驱动器和GaN FET集成在一个封装中，就是从系统角度进行优化的一个行之有效的方案，可以在提升GaN电源系统性能的同时，也让整个设计过程更快捷!

如果你在用分立式的GaN器件搭建方案时遇到瓶颈，不妨去尝试一下LMG341xR150这种“GaN FET + 驱动器 + 保护功能”的集成式解决方案，一定会有不少“惊喜”等着你!

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原文标题：集成驱动器!原来，GaN电源系统性能升级的奥秘在这里~

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审核编辑：汤梓红