Part 1

大家好，我叫 Paul Brohlin 是德州仪器 (TI) 的 GaN 电源开发工程师 本次课程分为两个部分，我将探讨 如何利用 TI 的 GaN 功率级设计可靠的高密度电源 解决方案 在第一部分，我会介绍 GaN 在 电源性能方面的优势以及 TI 在 GaN 功率级中 集成驱动器和保护功能 的益处 在这个分成两个部分的讲解中，我会说明 GaN 相较于硅超结 MOSFET 的优势 以及 TI 集成功率级相较于分立式 GaN 器件的 优势，还会通过一些示例应用 展示 GaN 的 性能优势 本课程中提及的 TI GaN 器件是 LMG3410 和 3411 系列 600V GaN 功率级 和 LMG5200 80V GaN 半桥功率级 如今，GaN 可以帮助设计人员提高 电源密度，使之达到超结 MOSFET 可实现的 电源密度的两倍 TI 的 LMG3410 和 LMG5200 功率级已开始大规模生产 这些器件可在价格持平的情况下 提高您的电源密度 由于开关频率要高于 MOSFET 支持的 开关频率，因此我的 滤波器组件中所需电源的 尺寸和成本都会得到削减 GaN 功率 FET 的开关损耗更低 因此还可以减少系统冷却组件 并削减电源的尺寸和成本 我们来看一下它的工作原理 GaN 的优势可以体现在许多不同的电源 拓扑中 下面的三个示例说明了GaN 如何提高电源 密度 第一个示例是 1.6 千瓦的 CRM PFC CRM PFC 是一个零电压的开关转换器 它可以消除开关损耗 GaN FET 的输出电容很低，因此转换器 可以在更高的开关频率下运行 在本例中，转换器使用了 1 兆赫兹的 峰值开关频率，因此减小了电感器的尺寸 该电源的开关网络密度为 每立方英寸 250 瓦 第二个示例是开关频率也为 1 兆赫兹的 千瓦 LLC 转换器 在这个设计中，与典型的硅超结 MOSFET LLC 转换器相比，变压器的 尺寸小得多，且其开关网络功率 密度达到了每立方英寸 140 瓦 最后一个示例是 48V 10A 100KHz 三相 电机驱动逆变器 这个电机驱动逆变器的开关 速度是典型逆变器的六倍 还具有非常高效的功率级 而且不带散热器，因此体积更小、成本更低 与硅超结 MOSFET 相比，GaN 具有几个重要 优势，可以帮助电源设计人员 提高电源的功率密度 首先，栅极电荷仅为同等 超结 MOSFET 的四分之一 这样，在设计使用高开关 频率的转换器时，就能减小栅极驱动 损耗 其次，GaN 的输出电荷 大约是超结 MOSFET 的五分之一 这样就减小了 CCM PFC 等硬开关转换器 的损耗它还减小了CRM PFC 和 LLC 等 软开关转换器中的循环电流 减小循环电流可以减小 电源器件和磁体中的 损耗 这样，转换器就可以在更高的频率开关 因此提高了转换器的功率密度 GaN 每个单位面积的电阻更小 这减少了功率 FET 的导通损耗 第四，GaN 没有任何 PN 结 因此不会出现任何反向恢复损耗 由于无需进行反向恢复，GaN 可以 在硬开关图腾柱拓扑中高效地 开关 GaN 的这一属性允许使用新的拓扑 这是超结 MOSFET做不到的 图腾柱 CCM PFC 等拓扑可实现 99% 的效率以及两倍的功率密度 同时降低组件成本 德州仪器 (TI) 是唯一一个 将 GaN 驱动器和保护功能 与 GaN 功率 FET 集成的 GaN 制造商 这个经过优化的集成式 GaN 驱动器可以高效、可靠地 驱动 GaN 功率 FET R 驱动盘控制着开关压摆率 可以帮助电源设计人员 优化 AMI 的性能 集成的过流保护功能 可以为 GaN 功率晶体管提供保护 而且不会导致功率回路 电阻或电感增大 将驱动器和保护功能集成到 功率级可以剔除很多分立式组件 这些组件不但会导致成本增加，还会 在电源的 PCB 区域多占用400 多平方毫米的空间 TI 集成了栅极驱动器和偏置电源 因此提高了 GaN FET 的开关性能和可靠性 所有 GaN FET 都必须由正确的栅极电压驱动 才能可靠地运行并实现良好的开关性能 正如 MTTF 与 VGS 的比较图所示，平均故障时间 是栅极电压的一个函数 如果 GaN 器件由过高的电压驱动 其使用寿命将会缩短 如果 GaN 器件由过低的电压驱动 GaN 的开关性能和导通性能将会 下降 LMG3410 的偏置电源可提供正确的栅极 电压，以优化开关性能和 GaN FET 可靠性 LMG3410 将驱动器集成到 GaN 封装中 可最大限度减小驱动器与 GaN FET 之间的 寄生电感 这些寄生电感会为电源设计人员 带来很多挑战 共源电感 LS 会在打开和关闭期间 降低漏极电流压摆率 因此会导致开关损耗增大 驱动器与由 L1 到 L6 组成的 GaN FET 之间的 栅极回路电感会导致驱动器 与 GaN FET 之间的阻抗增大 这一阻抗会导致驱动器在高压摆率 开关期间保持 GaN关闭的能力下降 为了防止在开关期间击穿 必须降低压摆率，但这样 会导致开关损耗增大 栅极回路电感还会导致栅极振铃 这样会造成 GaN 栅极上的电压应力上升 进而引致器件的可靠性下降 将驱动器集成到封装中 可以最大限度减小寄生电感 以优化开关性能和 GaN FET 可靠性 此示波器图展示了 LMG3410 近乎理想的开关性能 在 CCM 图腾柱PFC 电源中 LMG3410 在电压为400V 时以每纳秒 102V 的压摆率开关 4A 的电流 此图显示了一个非常平稳的开关波形 而且几乎没有任何过冲或振铃 高压摆率开关可减小开关损耗 没有任何振铃的平稳波形可降低 EMI 必须在电源中实施过流保护 以保护 GaN FET LMG3410 集成了过流保护功能 可提供快速、可靠的保护 最常见的分立式过流保护电路 是电阻式分流器，同时使用一个高速比较器 来检测 GaN 漏极电流 与 LMG3410 的集成式过流保护功能相比 这个电路会对系统产生很多 影响 为了保护高频电源中的 GaN 过流保护需要极快的速度 且其响应时间应当小于 100 纳秒 当以串联方式对增益电源器件 实施电阻式分流器时，需要使用一个 低功耗电阻器降低所增加的导通损耗 低值分流器的信噪比非常低 因此很难提供快速、精确的过流 保护 增加电阻式分流器还会 导致功率回路电感增大 开关期间这个增大的电感会 导致 GaN 漏极振铃 为了限制振铃，必须降低压摆率 但这样会致使开关损耗增大 在本例中可以看到，在分流器过流 保护电路中增加了233 平方毫米的 PCB 面积，导致功率回路电感增大了 1.2nH 在这种情况下，必须将电感的开关转换 速率降到每纳秒 80V 以限制过冲 电阻式分流器和增大的开关损耗 会导致 1.2 千瓦 PFC 电源的损耗增加 0.9 瓦