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GaN为何这么火?
发布时间:2020-09-16 阅读量:184 来源:网络整理 作者:

“GaN 为何这么火?”如果再有人这么问你。


最简单的回答:“因为我们离不开电源,并且我们不断追求更好的电源系统!”

 

今天,基于 GaN 器件的快充已在消费电子市场站稳脚跟。

 

现在,我们把时间拨回到 1928 年。一天,Jonason 等人合成了一种Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料,也就是 GaN。恐怕当时他们怎么也想不到,在经历了将近一个世纪不温不火的状态后,今天,GaN 这种新型的半导体材料彻底引爆了全球功率器件的革新。

 

在消费电子市场的成功说明了目前整个GaN行业的制造工艺和相关器件的性能得到了充分的验证。在全球进军工业 4.0、中国新基建开启征程的时刻,5G、工业互联网、新能源车及充电桩、光伏电网及特高压、人工智能、云计算大数据中心等,每年要消耗的能源无疑是一个天文数字,市场急需更高效和更高密度的电源系统。因此,GaN 从幕后站到了前台,如果说消费电子市场的成功只是小试牛刀,那么工业 4.0,中国新基建将会是 GaN 的封神之路。

 

GaN为何这么火?究其原因还是在于功率密度的提升(什么是功率密度?可以参考技术文章:功率密度基础技术简介),在更小的空间内实现更大的功率,从而以更低的系统成本增强系统功能。提升功率密度的四个重要方面包括:降低损耗、最优拓扑和控制选择、通过机电元件集成来减小系统体积以及有效的散热。

所以本文主要针对这些方面,从 GaN 材料的优势、电源拓扑、功能集成、可靠性以及产品匹配与应用方面加以分析,告诉你 GaN 器件是如何在电源系统中掀翻传统 Si 器件的?

 

材料的优势

 

相对于 Si MOSFET 和 IGBT 器件,GaN 器件提供了实质性的改进,包括快速开关时间、低导通电阻、较低的门极电容(例如,GaN 的单位门极电荷小于 1nC-Ω,而 Si 的单位门极电荷为 4nC-Ω),这些特性可以实现更快的导通和关断,同时减少栅极驱动损耗。 

 

image.png

 

GaN 还提供了较低的单位输出电容(典型的 GaN 器件的单位输出电荷为 5nC-Ω,而传统的 Si 器件为 25nC-Ω),这使设计人员能够在不增加开关损耗的同时实现较高的开关频率,更高的开关频率意味着设计人员能够缩小电源系统中磁性元件的尺寸、重量和数量。

 

此外,更低的损耗等同于更高效的电源分布,这减少了发热并精简了电源的冷却方案。 

 

电源拓扑

 

从GaN器件的特性和优势来说,最适合的应用大多是开关电源。而在设计开关模式电源时,主要考虑品质因素(FOM)包括成本、尺寸以及效率。但是这三者相互关联又相互掣肘,例如,增加开关频率可减小磁性元件的尺寸和成本,但会增加磁性元件的损耗和功率器件中的开关损耗。如何才能实现紧凑且高效的电源拓扑?下面以一个基于 GaN 器件的 1kW AC/DC 电源方案为例进一步说明。

 

image.png

 

AC/DC 电源的目标是要把 AC 线路电源转化为较低电压,为手机或个人计算机等低压电气设备供电或充电,而这通常通过几个功率级实现。第一级是典型电源,包括供电 AC 线路电源,它通过功率因数校正(PFC)级产生高压 DC 母线;在第二级,该电压经由 DC/DC 转换器被转换为低压(一般是 48 V 或 12 V)。这两级被称为交直流转换级。它们一般被部署在一起并提供保护设备和人员的隔离措施。第二级转换器输出的 12 V 或 48 V 电压,被分配给位于不同负载点(POL)的最终使用电路,例如设备柜内的不同电路板;第三级转换器存在一或多个直流转换器,可产生电子元件所需的低压。

 

那 GaN 是如何改进了 PFC 级、高压 DC/DC 转换器和 POL 级的功率密度?

 

PFC 级使用高效率图腾柱拓扑,GaN 的反向恢复损耗为零,因此非常适合图腾柱 PFC 拓扑。与传统的双升压技术相比,图腾柱将功率器件和电感器的数量减少了 40%,从而实现独一无二的高功率密度、高效率和低功耗组合,而类似的基于 Si 的设计却无法做到这一点。与使用 Si 的传统二极管桥式升压 PFC 相比,使用 GaN 的 PFC 级的效率超过 99%,功耗降低 10W 以上。

 

高压 DC/DC 级采用了高效的 LLC 谐振转换器。虽然在 LLC 转换器中使用 Si 是很普遍的,但是 GaN 的优点在于把功率密度提高了 50%,将开关频率提升了一个数量级。基于 GaN 的 1-MHz LLC 所要求的变压器尺寸比基于 Si 的 100-kHz LLC 的变压器要小六分之一。

 

POL 级利用 GaN 的低功率损耗,可直接实现高效的 48 V 到 1 V 硬开关转换器。大多数 Si 解决方案需要额外的第四级将 48 V 转换为 12 V,但 GaN 可实现真正的单级转换,直接转换为 1 V。通过这种方式,基于 GaN 的设计可将元件数量减少一半,并将功率密度提高三倍。虽然本示例我们仍然使用基于 GaN 的 PFC、DC/DC 和 POL 电路,但是它们的实施或使用的电源拓扑还是不同的,经过优化后的电源拓扑可更大程度发挥 GaN 的性能。

 

功能集成

 

同样是 GaN 器件,也会有设计难易之分,方案优劣之别。先来看两张图。一张是分立式 GaN 器件及其驱动电路,一张是集成了直接驱动的 GaN 电路。


image.png 

分立式 GaN 器件及其驱动电路

 

 image.png

直接驱动 GaN 器件电路

 

 

表面即可得出的结论:直接驱动 GaN 器件可以减少 PCB 设计尺寸,减少外围电路元器件,降低设计难度。

 

那如何理解直接驱动 GaN 器件?

 

简而言之,就是将驱动与 GaN 器件集成到一个封装中,这样可以最大程度降低寄生电感、降低开关损耗并优化驱动控制。

 

那更深层的意义?

 

同样,以两个典型的基于 GaN 器件的电路对比:共源共栅驱动 VS. 直接驱动的电路配置。


image.png

 

通过两者电路的对比分析,我们可以得出使用直接驱动 GaN 器件电路配置的优势:

 

更低的 Coss,从而降低损耗,在更高开关频率下优势越明显;

没有反向恢复 Qrr 的损耗;

硬开关应用中的开关损耗更低;

可通过设置 GaN 的充电电流来控制开关速率;

更灵活的电路设计,在栅极环路中增加阻抗抑制寄生谐振,减少电源环路中的振荡,从而降低了 GaN 器件上的电压应力,并减少了硬开关期间的电磁干扰(EMI)问题。


不仅如此,直接驱动 GaN 电路在高频振荡的表现上也比共源共栅驱动好,下面的仿真波形是以功率器件的 Coss 和环路寄生电感为模型,对比了降压转换器中开关节点振荡的差异。


image.png

硬开关操作导致过多高频振荡

 

直接驱动配置具有受控的导通,且过冲很少。而共源共栅驱动由于较高的初始 Coss、Qrr 和较低的栅极环路阻抗而具有较大的振荡和硬开关损耗。

 

集成那么多功能?该如何控制封装的尺寸?在小尺寸的同时又如何保证优异的散热?这似乎是一个矛盾因果关系。

 

可靠性

 

众所周知,为开关电源设备提供保护电路非常重要,以防止由于直通、PWM 信号丢失、短路或其它事件而导致的系统级故障。因为 GaN 是一种高速器件,所以一般情况下需要在外部设计高速的检测和保护电路。集成保护单元的 GaN 器件在这里就能提供无缝的操作和强大的保护,比如,TI 的 LMG3410 系列 GaN 产品,保护响应时间不到 100ns,重点是它不需要外部组件,在提高可靠性的同时大大降低设计难度。


image.png 

集成保护单元的 GaN 器件硬件系统框图

 

产品匹配与应用

 

从 GaN 相比传统 Si 的优势,又到直接驱动 GaN 电路相比分立式 GaN 电路的优势,无不反应半导体界的一个普遍定律,越集成越强大。既然直接驱动 GaN 有这么强势的优势?那是否有相关的产品上市了呢?

 

其实细心的读者应该已经发现,在上文中笔者已经透露出了一些直接驱动 GaN 器件的信息,也就是 TI 最新推出的LMG3410 系列产品。

 

 image.png

 

TI LMG3410 系列 GaN 器件集成驱动器可实现> 100 V / ns 的开关速度,与分立的 GaN FET 相比,损耗降了一半。结合 TI 的低电感封装,可以在每种电源应用中提供干净的开关技术和更小的振荡。其它功能包括可调节的 EMI 控制驱动强度,强大的过流保护和过热保护功能,可优化 BOM 成本、PCB 尺寸和面积。

除了驱动和保护单元的集成,LMG3410 系列 GaN 器件的可靠性也得到充分得验证,具有超过 3,000 万小时的器件可靠性测试,10 年内 FIT 率低于 1。除了固有的可靠性测试外,TI 同样在实际应用中对 GaN 进行了最苛刻的硬开关应力测试,并可靠地转换了超过 3 GWHrs 的能量。

 

另一方面,LMG3410 系列 GaN 器件利用了 TI 现有的工艺技术,提供了一些固有的供应链并降低了成本。与在 SiC 或蓝宝石等非 Si 衬底上构建的其它技术不同,TI 的 GaN-on-silicon 工艺利用 TI 100%内部设备进行制造,组装和测试,从而利用内部资源持续改善产品质量。

 

除了 LMG3410 系列 GaN 器件本身的优异性,更重要的是 TI 实行“授人以鱼不如授人以渔”的方针,提供了全面的 GaN 器件解决方案,并且不断在更新&开发新应用领域方案,所以你拿到的不仅仅是一个器件,更是一站式的全套服务。

 

小结

 

GaN 的应用可以说是无处不在,文中提到的 AC/DC 电源只不过是 GaN 器件应用的冰山一角,我们可以在想得到的任何需要提升效率和功率密度的场景下使用 GaN 解决方案。比如在电机控制领域,GaN 可以提高 PWM 频率并降低开关损耗,这有助于驱动极低电感的永久磁性和无刷直流电机,这些特性还使转矩波动更小化,从而在伺服驱动器和步进器中实现精确定位,支持高速电机在无人机等应用中实现高电压;在 LiDAR 应用中,GaN 的低输入和高电容特性,使 LiDAR 以更短脉冲实现了更高的峰值输出光功率,这在提高成像分辨率的同时保护了眼睛的安全;在高保真音响应用中,GaN 能在高压摆率下高效开关,并且开关行为可预测性较高,极大减少了谐波失真,实现了更理想的音响性能,将噪音限制在更高的不可听的频带内。

 

以上案例无一不在说明 GaN 正在改变行业,从电路的本质来说,要使用 GaN 技术不是简单的加减法,不是换个器件而已,但是,在选择方案时如果选择像 LMG3410 这种提供现成 GaN 全套解决方案的,那使用 GaN 就如同换颗已经验证过的代替料那么简单。现在,无需质疑 GaN 的种种优势,它正在向更多的电源应用领域渗透,而工业 4.0 和新基建将会成为 GaN 的封神之路。


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