氮化鎵(GaN)半導(dǎo)體的物理特性與硅器件不相上下。傳統(tǒng)的電源供應(yīng)器金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)和絕緣柵極雙極晶體管(IGBT)只有在犧牲效率、外形尺寸和散熱的前提下才能提高功率密度。
使用GaN則可以更快地處理電源電子器件并更有效地為越來越多的高壓應(yīng)用提供功率。GaN更優(yōu)的開關(guān)能力意味著它可以用更少的器件更有效地轉(zhuǎn)換更高水平的功率，如圖1所示。GaN半導(dǎo)體能夠在交流/直流供電應(yīng)用，實現(xiàn)新型電源和轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。（例如，5G通信電源整流器和服務(wù)器計算）GaN不斷突破新應(yīng)用的界限，并開始取代汽車、工業(yè)和可再生能源市場中傳統(tǒng)硅基電源解決方案。
圖1：硅設(shè)計與GaN設(shè)計的磁性元件功率密度對比
GaN FET：新的集成系統(tǒng)
大型數(shù)據(jù)中心、企業(yè)服務(wù)器和通信交換中心會消耗大量電能。在這些電源系統(tǒng)中，F(xiàn)ET通常與柵極驅(qū)動器分開封裝，因為它們使用不同的工藝技術(shù)，并且最終會產(chǎn)生額外的寄生電感。
除了導(dǎo)致較大的形狀尺寸外，這還可能限制GaN在高壓擺率下的開關(guān)性能。另一方面，具有集成式柵極驅(qū)動器的TI GaN FET（例如LMG3425R030）憑借150V/ns的壓擺率可更大程度降低寄生電感，與分立式GaN相比，其損耗降低了66%，并更大程度地降低了電磁干擾。圖2顯示了具有集成式柵極驅(qū)動器的TI GaN FET。
圖2：具有柵極驅(qū)動器和短路保護功能的600V GaN FET的集成
在數(shù)據(jù)中心和服務(wù)器場中，TI的新型GaN FET使得拓撲結(jié)構(gòu)更簡單（例如圖騰柱功率因數(shù)校正），從而降低了轉(zhuǎn)換損耗，簡化了散熱設(shè)計并縮小了散熱器的尺寸。與相同尺寸的1U機架式服務(wù)器中的硅MOSFET相比，這些器件可實現(xiàn)兩倍的功率密度和99%的效率。在考慮長期影響時，這種功率密度和效率節(jié)省變得尤為重要。例如，假設(shè)一個服務(wù)器場通過安裝GaN器件每月提高3%的交流/直流效率。如果該服務(wù)器場每天轉(zhuǎn)換30kW的功率，那么他們每月將節(jié)省超過27kW，約為每月2,000美元，每年24,000美元。
當(dāng)GaN FET與限流和過熱檢測功能集成時，它可以防止擊穿和熱失控事件。此外，系統(tǒng)接口信號可實現(xiàn)自我監(jiān)測功能。
可靠性是電源電子器件中的關(guān)鍵因素。因此，與傳統(tǒng)的級聯(lián)以及獨立GaN FET相比，高度集成的GaN器件可以通過集成功能和保護功能來更有效地提高可靠性并優(yōu)化高壓電源的性能。
使用外部驅(qū)動器，寄生電感會導(dǎo)致開關(guān)損耗以及高GaN頻率下的振鈴和可靠性問題。共源電感大大增加了導(dǎo)通損耗。同樣，在高壓擺率下設(shè)計穩(wěn)健過流保護電路既困難又昂貴。但是，由于GaN本身缺乏體二極管，因此可減少開關(guān)節(jié)點上的振鈴，并消除任何反向恢復(fù)損耗。
具有保護功能的GaN器件
GaN器件的結(jié)構(gòu)與硅器件截然不同。盡管它們可以更迅捷地開關(guān)，但是從性能和可靠性的角度來看，仍然面臨獨特的難題。使用分立式GaN器件時，還存在設(shè)計簡便性和物料清單成本之類的問題。
全新的工業(yè)600V GaN器件系列在30-50mΩ功率級集成了GaN FET、驅(qū)動器和保護功能，可為100-10kW的應(yīng)用提供單芯片解決方案。LMG3422R030、LMG3425R030、LMG3422R050和LMG3425R050GaN器件面向高功率密度和高效率應(yīng)用。
與硅MOSFET不同，GaN可以“類二極管”的方式在第三象限導(dǎo)通，并通過減小電壓降盡可能減少死區(qū)時間。TI在LMG3425R030和LMG3425R050中的理想二極管模式進一步降低了供電應(yīng)用中的損耗。請閱讀應(yīng)用手冊《使用理想二極管模式優(yōu)化GaN性能》了解更多信息。
這些GaN器件已通過了4,000萬小時的器件可靠性測試，包括加速開關(guān)測試和應(yīng)用內(nèi)硬開關(guān)測試。這些可靠性測試均在最大功率、電壓和溫度環(huán)境下的高度加速開關(guān)條件下進行。
結(jié)論
開關(guān)電源的設(shè)計人員一直在努力提高功率密度和效率。硅MOSFET和IGBT的功率密度和效率較低，碳化硅(SiC)器件的功率密度和效率更高，但成本也更高。
GaN器件使解決方案能夠獲得優(yōu)質(zhì)超結(jié)FET兩倍的功率密度。同樣，它們促進了80Plus Titanium等標(biāo)準(zhǔn)認證，這些標(biāo)準(zhǔn)要求服務(wù)器和通信應(yīng)用具有非常高的電源效率。
盡管GaN是電源電子器件領(lǐng)域的一項革命性技術(shù)，但仍需要仔細的工藝和材料工程。這要求構(gòu)建高質(zhì)量GaN晶體，優(yōu)化電介質(zhì)膜并在制造工藝中確保非常干凈的界面。除此之外，必須進行熟練的測試和封裝。