用于多種電源應用的GaN晶體管

硅功率 MOSFET 沒有跟上電力電子行業(yè)的演進變化，其中效率、功率密度和更小的外形因素是社區(qū)的主要需求。電力電子行業(yè)已經(jīng)看到硅 MOSFET 的理論極限，現(xiàn)在需要轉(zhuǎn)向新元件。氮化鎵或 GaN 是一種高度移動的半導體電子半導體 (HEMT)，被證明在滿足新應用方面具有真正的附加值。

GaN 晶體管比硅 MOSFET 更快、更小。GaN 的性能表明效率和性能得到了顯著提高，從而帶來了一些硅技術(shù)無法實現(xiàn)的新應用。板空間非常昂貴。eGaN?的FET，從EPC，在低電感，低電阻，小型和低成本的LGA或BGA封裝。此外，在硬開關(guān)和軟開關(guān)應用中，與 MOSFET 相比，它們?yōu)樵O計人員提供了同類最佳產(chǎn)品。

氮化鎵場效應管

GaN 開關(guān)器件有兩種不同的類型：增強模式 (e-GaN) 和級聯(lián)耗盡模式 (d-GaN)。e-GaN 可以作為普通 MOSFET 工作，即使它的柵源電壓降低了。它提供了一個更簡單的封裝，一個沒有體二極管的低電阻，具有像這樣的雙向通道。

d-GaN 晶體管通常是導通的，需要負電壓。您可以通過將 HEMT 晶體管與低壓硅 MOSFET 串聯(lián)來解決這個問題，如圖 1 所示。

圖 1：e-GaN（左）和 d-GaN（右）配置

相比之下，e-GaN 晶體管通常是關(guān)斷的，而在柵極上施加正電壓時會導通。與 d-GaN 不同，e-GaN 器件不需要負啟動偏置：柵極上的偏置為零，器件關(guān)閉并且不傳導任何電流。

e-GaN FET 的閾值低于硅 MOSFET 中的閾值。這提供了非常低的柵漏電容 (C GD )。其低電容結(jié)構(gòu)允許在納秒內(nèi)以 MHz 頻率切換數(shù)百伏特。柵極至源極電容 (C GS ) 是另一個與 C GD相比較大的參數(shù)，使 GaN FET 具有良好的 dv/dt 抗擾度。電源開關(guān)器件的 dV/dt 靈敏度是由各種寄生電容和柵極驅(qū)動電路阻抗引起的。另一方面，Gate-Charge Qg 參數(shù)表明器件能夠快速變化，以最小的開關(guān)損耗達到更高的 dV/dT。e-GaN 器件比 MOSFET 高 10 倍，而 d-GaN 器件高約 2-5 倍。

要確定電源開關(guān)的 dV/dt 靈敏度，您可以使用稱為米勒電荷比 (Q GD /Q GS1 )的品質(zhì)因數(shù)。小于 1 的米勒電荷比將保證理論上的 dV/dt 抗擾度。柵極驅(qū)動電路布局成為提高 dV/dt 抗擾度的關(guān)鍵因素。

d-GaN 晶體管具有低壓硅 MOSFET 的柵極。因此，現(xiàn)有的商用 MOSFET 柵極驅(qū)動器可以輕松操作 d-GaN 開關(guān)。d-GaN 器件的一個不利影響是由于添加了硅 MOSFET 引燃電阻，因此具有更高的引燃電阻。對于低電壓 (<200 V)，增加可能很顯著。對于更高的值 (600 V)，附加電阻只能是總導通電阻的 5% 左右。

d-GaN 晶體管增加了封裝的復雜性。Mosfet 器件和 GaN HEMT 之間的寄生電感和電容可能會導致開關(guān)瞬變期間的延遲。器件的反向傳導特性在開關(guān)類型中很重要。在 MOSFET 中，體二極管的壓降很低，其反向恢復非常緩慢，導致開關(guān)損耗非常高。

GaN 器件沒有反向體二極管，但由于其物理性質(zhì)，能夠反向傳導。在反向傳導的情況下，需要有死區(qū)時間。由于串聯(lián) MOSFET 的低壓硅，級聯(lián)的 d-GaN 器件具有反向恢復功能。

圖 2：un GaN 器件中的寄生電容和電流

在硬開關(guān)轉(zhuǎn)換器中，輸出電荷在每次上電轉(zhuǎn)換時消耗在 FET 中。該損耗與 QOSS、總線電壓和開關(guān)頻率成正比。GaN FET 的 Q OSS 比硅 FET低得多，減少了每個周期的輸出電荷損失，從而允許更高的頻率（圖 2）。

汽車和消費者解決方案

新興的計算應用程序需要在更小的外形尺寸中提供更多的功率。除了服務器市場不斷擴大的需求外，一些最具挑戰(zhàn)性的應用是多用戶游戲系統(tǒng)、自動駕駛汽車和人工智能 汽車系統(tǒng)正越來越多地轉(zhuǎn)向 48 V 設備，這是由于電子控制耗能的增加功能和自動駕駛汽車的出現(xiàn)對能量分配系統(tǒng)上的激光雷達、雷達、攝像頭和超聲波傳感器等系統(tǒng)產(chǎn)生了額外的需求。這些處理器是“耗能的”，對汽車行業(yè)的傳統(tǒng) 12 V 配電總線來說是一個額外的負擔。對于 48 V 總線系統(tǒng)，GaN 技術(shù)可提高效率、減小系統(tǒng)尺寸并降低系統(tǒng)成本。與 MOSFET 解決方案相比，具有兩倍頻率的 250 kHz GaN 解決方案可將尺寸減小 35%，從而降低電感器 DCR 損耗，并將系統(tǒng)成本降低約 20%。氮化鎵異常高的電子遷移率和低溫度系數(shù)允許低 QG和零 Q RR。最終結(jié)果是一種可以管理具有非常高開關(guān)頻率的任務的設備，低導通時間以及導通損耗占主導地位的設備都是有益的。

“高功率 EPC eGaN? FET 在導通狀態(tài)下具有更低的電阻、更低的電容、更高的電流和出色的熱性能，這些都是這些功率轉(zhuǎn)換器的特點，其效率超過 98%。該系列 eGaN FET 將電阻 (R DS (on))減半，以實現(xiàn)高電流和高功率密度應用?！?Alex Lidow 博士說 EPC 首席執(zhí)行官兼聯(lián)合創(chuàng)始人。

與上一代相比，最新一代 eGaN FET 的硬開關(guān)品質(zhì)因數(shù)也減半，以提高高頻功率轉(zhuǎn)換應用中的開關(guān)性能。GaN 將性能優(yōu)勢提高到 30 V 可用于構(gòu)建高功率 DC/DC 轉(zhuǎn)換器、PoL 轉(zhuǎn)換器和同步整流器，用于隔離電源、PC 和服務器。

最小、最具成本效益和最高效率的非隔離 48 V – 12 V 轉(zhuǎn)換器適用于高性能計算和電信應用，可通過采用 eGaN? FET（例如 EPC2045）來實現(xiàn)。EPC2045 的工作溫度 di -40 至 +150 °C，熱阻 di 1.4 °C/W。漏源導通電阻的典型值為 5.6 mΩ（圖 3 和圖 4）。

圖 4：效率與電流 [來源：EPC]

在消費市場，便攜式解決方案正變得越來越“耗能”?？紤]到筆記本電腦的小尺寸，有時冷卻解決方案有時幾乎為零，因此能夠管理效率和熱管理非常重要。對快速高效充電器的需求促使市場轉(zhuǎn)向新的 GaN 解決方案（圖 5）。

圖 5：EPC9148 設備 [來源：EPC]

激光雷達

eGaN? FET 和集成電路是在激光雷達系統(tǒng)中打開激光器時使用的合理選擇，因為可以激活 FET 以產(chǎn)生脈沖寬度極短的高電流脈沖。“短脈沖寬度帶來更高的分辨率，更高的脈沖電流讓激光雷達系統(tǒng)看得更遠。這兩個特性加上它們極小的尺寸，使 GaN 成為激光雷達的理想選擇，”Alex Lidow 說。

EPC提供各種開發(fā)板。EPC9144 主要設計用于驅(qū)動具有總脈沖寬度為 1.2 ns 的大電流脈沖和高達 28 A 的電流的大電流激光二極管。該板圍繞 15 V EPC2216 eGaN? FET 汽車級 AEC-Q101 設計。EPC9126 和 EPC9126HC 開發(fā)板主要用于驅(qū)動具有總脈沖寬度低至 5 ns（峰值的 10%）的高電流脈沖的激光二極管。它們采用 100V EPC2212 和 EPC2001C 增強型 (eGaN?) 場效應晶體管 (FET)，分別能夠提供 75 A 和 150 A 的電流脈沖。（圖 6）。

圖6：EPC9144開發(fā)板【來源：EPC】

基于這項技術(shù)，Cepton 最先進的激光雷達解決方案 Helius 提供先進的物體檢測、跟蹤和分類功能，為智慧城市、交通基礎設施、安全等領(lǐng)域提供廣泛的應用。它體現(xiàn)了三種尖端技術(shù)的前所未有的融合：由 Cepton 獲得專利的高準技術(shù) (MMT?) 提供支持的行業(yè)領(lǐng)先的 3D 激光雷達傳感；邊緣計算可實現(xiàn)最小數(shù)據(jù)負擔和最大程度的集成；以及用于實時分析的內(nèi)置高級感知軟件。

“激光雷達也已成為一個非常重要的市場。它可能是最廣為人知的自動駕駛汽車解決方案。然而，一個快速增長的市場是短距離激光雷達，它被用于諸如只需要看到幾英尺的機器人、用于避免碰撞的無人機和駕駛員警報系統(tǒng)。短程激光雷達系統(tǒng)不需要像遠程激光雷達系統(tǒng)那樣大的電流，但看到短距離意味著您需要更快的脈沖。因為如果您正在測量一米外的物體，這意味著返回信號將在幾納秒內(nèi)返??回。我們已經(jīng)展示了脈沖寬度小于 1.2 ns 的短程激光雷達系統(tǒng)?！?亞歷克斯·利多說。

無線電源

“無線能源已準備好融入我們的日常生活?！盇lex Lidow 說。發(fā)射器可以放置在家具、墻壁、地板上，以高效、經(jīng)濟地為我們的電子和電氣設備大面積和跨多個設備供電或充電。無線能量傳輸?shù)母拍钜呀?jīng)為人所知有一段時間了，準確地說是 100 多年，其歷史可以追溯到特斯拉線圈的發(fā)明。無線能量傳輸?shù)囊粋€關(guān)鍵因素是效率：為了能夠有效地定義系統(tǒng)，發(fā)電機傳輸?shù)拇蟛糠帜芰勘仨毜竭_接收設備。

磁共振技術(shù)是實現(xiàn)無處不在的關(guān)鍵——實現(xiàn)大面積傳輸、定位接收設備的空間自由以及同時為多個設備供電的能力。

EPC 提供全方位的發(fā)射器和接收器參考設計，從單個設備充電到大面積同時供電的多個設備。GaN 可實現(xiàn)低頻 (Qi) 和高頻 (AirFuel) 標準的高效率，支持更低的成本；無論接收設備中使用的標準如何，都可以為設備無線充電的單發(fā)射放大器解決方案。依賴 Qi 標準的無線充電系統(tǒng)通過感應耦合在 100 到 300 kHz 范圍內(nèi)的頻率運行。

音頻應用

D 類音頻系統(tǒng)的低功耗產(chǎn)生的熱量更少，節(jié)省了印刷電路板的空間和成本，并延長了便攜式系統(tǒng)的電池壽命。GaN FET 提供更高保真度的 D 類音頻放大器。然而，最近，隨著具有更好物理特性的基于 GaN 的高電子遷移率晶體管 (HEMT) 器件成為現(xiàn)實，D 類放大器性能的飛躍即將到來。

eGaN? FET 的低電阻和低電容提供低瞬態(tài)互調(diào)失真 (T-IMD)?？焖匍_關(guān)能力和零反向恢復電荷可實現(xiàn)更高的輸出線性度和低交叉失真，從而降低總諧波失真 (THD)。

“First-Class D 放大器是為汽車設計的，因為他們希望在汽車中擁有更多的揚聲器和更大的功率。A 類放大器太大了，無法產(chǎn)生超過 25 瓦的功率，但仍然適合放在儀表板中。D 類于 1980 年代首次推出，使汽車具有 16 個揚聲器和 250 瓦的功率。然而，音質(zhì)永遠不如帶有 D 類的 A 類放大器。這是因為 MOSFET 的開關(guān)速度不夠快，因此，相對較低的開關(guān)頻率意味著相對較差的再現(xiàn)質(zhì)量。當然，使用 GaN 器件，您可以達到更高的頻率，”Alex Lidow 說。

空間應用

氮化鎵的增強型版本 (eGaN) 被廣泛用于空間應用的開發(fā)。商用 GaN 功率器件的性能明顯高于基于硅技術(shù)的傳統(tǒng) Rad Hard 器件。這允許在衛(wèi)星、數(shù)據(jù)傳輸、無人機、機器人和航天器上實施創(chuàng)新架構(gòu)。

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eGaN FET 具有輻射耐受性、快速開關(guān)速度、更高的效率，從而使電源變得更小、更輕（更小的磁體和更小的散熱器尺寸，甚至在許多情況下消除了散熱器）。電源設計人員可以選擇增加頻率以允許使用更小的磁鐵、提高效率或設計兩者的令人滿意的平衡。eGaN FET 也比等效的 MOSFET 小。更快的瞬態(tài)響應還可以減小電容器尺寸。

　審核編輯：湯梓紅