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更高效,更小巧,更快速--GaN FET

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世纪电源网雪花
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  • 2018-3-9 11:41:34
当今世界随着对环境的保护,以及有限的石油煤矿等资源,节约能源是全世界一直以来的一个重要课题。据测算,提升1%的世界能源效率就能够减少大约55个燃煤发电厂,其中电源系统的功耗以及效率对节约能源就是一个重要研究分支。

在各种电子电气设备中,不论是消费类电子,家用电器,通讯硬件,电动车,太阳能灯,使用的都是开关电源(SMPS)架构。开关电源的效率一直是困扰着工程师的难题,而其中功率器件MOSFET上的损耗是导致开关电源效率的一个最严重的因子之一。
我们以DC-DC降压转换器为例来了解一下开关电源功率MOSFET的损耗。
左下图为典型的DC-DC降压转换器拓扑结构,右下图为波形。
1.png 2.png
其主要损耗来自:
1. 导通损耗--Rds(on)
3.png

---分别为上下端MOSFET管的导通损耗

2. 开关损耗--PLoss(IDS和VDS重叠导致)
4.png
---此处开关损耗主要为上端的MOSFET管

3. 体二极管反向恢复损耗
5.png

---下端MOSFET的体二极管的反向恢复电荷(QRR)导致
4. MOSFET输出电容损耗
6.png

--- MOSFET的输出电荷(QOSS(VIN))导致
所以如果我们降低MOSFET的导通电阻,输入输出电荷以及反向恢复电荷,那么就能提高电源的效率。
正因为如此,第三代半导体材料——氮化镓( GaN),作为当下新型的半导体材料,逐渐的出现在工程师面前。与Si MOSFET器件相比,功率GaN FET器件在电源转换效率和功率密度上有了极大的提升,可广泛应用于功率因数校正(PFC)、AC/DC、 DC/DC、DC/AC等电源系统设计。不论是消费类电子,光伏逆变,电动汽车,还是服务器及通讯设备等,都可使用新型的GaN器件,尤其是在中高压电源有很大的应用前景。

GaN为宽带隙器件(3.4eV),相较于Si(1.12ev)器件,具有高击穿电压,低漏电流,热导率高,高工作温度,高电子迁移率,可高速开关等。
7.png 8.png
9.png 10.png
同时具有如下特性:
较低的RDS(on):相同面积下导通电阻GaN FET是SiMOSFET的一半。这直接导致电路中传导损耗降低了50%。因此,可以在设计中使用较小的散热器和更简单的热管理。
  
  
MOSFET
GaN
RDS(on)
14-18 mΩ-cm2
6-9 mΩ-cm2

较低的栅极和输出电荷:GaN提供较低的栅极电荷。与MOSFET的4nC相比,典型的中压器件具有大约1nC的栅极电荷。较低的栅极电荷使设计具有更快的导通时间和转换速率,同时减少损耗。
GaN具有显著较低的输出电荷,首先,开关损耗下降多达80%,结合较低的传导损耗,对功率密度有重大和积极的影响。第二,根据拓扑和应用,设计可在更高的开关频率运行- 高达10倍。这大大减少了磁性材料的尺寸以及设计的尺寸和占用空间,同时将整体效率提高了15%
  
  
MOSFET
GaN
Gate charge栅极电荷
~4 nC-Ω
~1-1.5 nC-Ω
Output charge输出电荷
~25 nC-Ω
~5 nC-Ω

零反向恢复:硅MOSFET在50至60 nC范围内具有典型的反向恢复电荷,具体取决于其尺寸和特性,而GaN Qrr为0.
  
  
MOSFET
GaN
Qrr反向恢复电荷
~50-60nC
0


GaN是D-mode FET,为常开器件,使用非常不便,为了和Si一样为常关器件,器件厂商一般会做成增强型FET,级联一个LV NMOS。同时GaN作为高速开关器件(>Mhz),对GaN FET的驱动和设计就有要求。
•偏置电压:重要的是将栅极偏置为最佳电压以获得最佳的开关性能,同时保护栅极免受潜在的过压状况。偏置电平随类型和GaN制造工艺而异,需要相应设置。具有钳位或过压保护电路也极其关键。
•传播延迟:短传播延迟和良好匹配(针对半桥拓扑)对于高频操作非常重要。 25 ns的传播延迟和1到2ns的匹配是高频(1 MHz或更高)设计的一个很好起点。
TI的GaN 驱动芯片 都具有非常短的传播延迟以及匹配,兼容TTL和CMOS逻辑电平,温度,电流,电压保护,可调节死区时间等。具体请参考,LMG1205,LM5113,LM5114,UCC27611等。
即将推出的 LMG1020PDF文档下载,有更短的传播延迟(2.5nS),高达60MHz,适合用在LIDAR、TOF(Time of Flight)激光驱动、高频谐振电源转换器等领域。可用在汽车辅助驾驶,无人机,手机等产品上。
11.png
LMG1020的Lidar应用图
LMG1210PDF文档下载,也是有更短的传播延迟(10nS)和匹配(1.5nS),高达50MHz,死区时间可调,适合用在RF包络跟踪电源和D类音频功放等领域。
12.png
LMG1210的应用图

分离驱动与集成驱动GaN FET
GaN的高压摆率(100V/ns)和高开关频率(MHz),设计中的任何寄生电感会在系统中引入损耗和振铃。许多电感源存在于GaN FET和驱动器封装中的引线和内部接合线以及印刷电路板(PCB)迹线的设计中。集成的GaN FET和驱动的方案就应运而生了。如下图a和图b:

13.png
       a.GaNFET分离驱动         b.GaNFET集成驱动
为了方便工程师,作为半导体器件的领先厂商,TI开发了LMG3410(高压600V)和LMG5200(中压80V)功率级解决方案,将驱动器和GaN FET集成到单个封装中,显著降低总体电感和增加保护,提高功率密度,优化驱动,提高效率,降低噪声。
  
LMG3410应用
  
LMG5200应用
• 图腾柱 CCM and CRM PFC     
• 宽输入电压高频同步降压变换器
•高频LLC和移相全桥变换器
• Class D 功放
• 光伏逆变器
• 通讯,工业以及数据中心的48V 负载点变换器
• 马达驱动
•高功率密度单相和三相马达驱动
• 高电压电池充电器



   LMG3410                                        LMG5200
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TI(德州仪器)的GaN应用案例
我们以市电230VAC输入,到芯片处理器应用电压1.0V/1.8VDC来比较Si MOSFET与GaN FET的差异。
现今的方案(Si MOSFET)                                                                                                
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高功率密度方案(GaN FET)                                                                                                     
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1KW图腾柱PFC:使用LMG3410和UCD3138A数字控制器,效率高达99%,相比市面上钛金电源的效率96%还高,且功率密度从3.4W/cm3提高到9.5W/ cm3,高达2.8倍。
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                            使用LMG3410 图腾柱PFC                                        效率VS输出功率
LLC DC/DC:同样使用LMG3410和UCD3138A控制,1MHz高开关频率,降低了磁性元器件的尺寸,输入380V-400V,输出48V,效率大于97%,且传递功率密度为8.5W/ cm3,相较于Si MOSFET的5.8W/ cm3,提升近1.5倍
22.png 23.png
使用LMG3410的 LLC 谐振变换器                效率VS输出功率


48V POL DC/DC: 使用LMG5200的POL,功率密度为8.5W/ cm3,比Si MOSFET的2.4W/ cm3提升了3.5倍,元器件也减少了50%
24.png 25.png
                使用LMG5200的DC/DC变换器            尺寸比较                                      

GaN的可靠性(器件寿命)
TI作为GaN器件的领先厂商,组成了新的关于宽带隙功率半导体的JEDEC 委员会:JC-70 Wide Bandgap Power ElectronicConversion Semiconductors。
GaN FET相较于Si MOSFET,作为新型半导体器件,在可靠性测试方面还没有具体的标准(标准总是落后于新技术)。TI的相应GaN FET器件不仅在可靠性方面遵循JEDEC关于Si MOSFET的标准,同时进行了应用相关的动态测试,也就是在应用情况下的可靠性测试。TI预先的开发了各种测试来保证GaN FET在功率转换应用方面的可靠性。比如TI开发了如下的测试来验证GaN FET在升压电路下硬开关下的鲁棒性。
26.png 27.png
                                                          JEDEC-compliant test vehicle for inductive
                                                       switching  application test

总结:通过对Power GaN FET和TI的方案介绍,使用GaN FET的电源方案相较于Si MOSFET有:
更高的功率密度
更高的效率
更快的开关频率
数目更少的元器件以及更小的尺寸
尤其使用TI的集成Power GaNFET和Driver芯片后,更加容易应用, 在高压电源方面GaN方案会越来越普及。

wszdxp2004
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LV8
副总工程师
  • 2018-3-12 11:02:38
  • 倒数5
 
TI 历害了 !
xulin
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LV6
高级工程师
  • 2018-4-21 09:16:16
  • 倒数4
 
你好,最近一直在看TI的氮化镓解决方案,看到一款高频控制器TPS53632G,想问一下,这款控制器只能应用在变换器输出电压小于1.52V的场合吗?如果我想做一个半桥拓扑,输出28V的变换器,使用这款芯片可以吗?
yu309262908
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LV6
高级工程师
  • 2018-4-21 10:25:56
  • 倒数3
 
不行,这个输出电压不够
xulin
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请问您用过这个芯片吗?为什么输出电压不够。看数据手册上说的如果采用单相设计,两个PWM输出是同时的,如果是两相设计,两个输出是180度错位,是这样吗?因为参考设计中采用的是半桥加倍流整流,我感觉这就是一个交错式的BUCK
sunshineoptic
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不错,学习学习
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