使用集成式 eGaN 功率级构建高能量密度电源

高能量密度开关模式电源 (SMPS) 可加快电池充电速度，减小太阳能微型逆变器的尺寸，并满足服务器农场电源要求，绝对不会出现过热现象。然而，工程师现在面临硅 MOSFET 和 IGBT 的性能极限，这些器件构成传统 SMPS 的主要开关元件。相反，采用增强型氮化镓 (eGaN)（一种宽带隙半导体）制成的晶体管现可以克服硅器件的开关速度和能效限制。

以前，eGaN 晶体管的成本和可用性使其局限于最为复杂的电源应用，但更广泛的商业化已经解决了这一难题。eGaN 晶体管现已广泛用于各种应用。

本文首先介绍相比基于传统硅 (Si) MOSFET 或 IGBT 的高频电源，基于 eGaN 开关元器件的高频电源优势。接着会介绍如何使用 EPC、Texas Instruments 和 Navitas Semiconductor 的 eGaN 功率级来构建适用于电池充电或服务器农场等应用的 SMPS 设计。

高频优势

传统 SMPS 通常采用的开关频率范围为数十至数百千赫兹 (kHz)。基本频率的脉冲宽度调制 (PWM) 的占空比决定了电源的电压输出。

较高开关频率的主要优势在于减小了电感器、变压器和电阻器等外设元器件的尺寸。因而，设计人员就可以在保持同等输出功率的情况下简化设计，从而增加能量密度。此外，SMPS 输出端的电流和电压纹波也会减少，从而降低了电磁干扰 (EMI) 的风险和滤波器电路的成本，并缩小了尺寸。

然而，传统硅功率 MOSFET 和 IGBT 开关速度相对较慢，每次开通闭合时，器件耗散功率相当大。随着频率的提高，功耗会成倍增加，导致能效降低和芯片温度升高。开关速度慢且开关功耗大，给目前的 SMPS 实际开关频率设置了上限。

设计人员可以借助宽带隙半导体来打破这一上限。其中，GaN 是目前用于该应用的最成熟、最便利的技术，而 eGaN 是 GaN 的改良版。

比较硅与 GaN

与硅相比，GaN 具有多种优势，其中几种优势与该材料的电子迁移率较高有关。电子迁移率较高使半导体击穿电压更高（高于 600 伏），“电流密度”（安培/平方厘米 (A/cm²)）更大。GaN 的另一个优势在于采用该材料制成的晶体管不会出现反向恢复电荷，而这种现象可能会引起很大的开关过冲电流（瞬时振荡）。

虽然这些特性对于电源设计人员来说很重要，但或许更重要的是，高电子迁移率使 GaN 晶体管的关断时间大约只有硅 MOSFET 的四分之一。此外，在给定开关频率和电流的情况下，每次开通闭合时，GaN 器件的功耗约为硅晶体管的 10% 至 30%。因此，与硅 MOSFET、IGBT 或碳化硅 (SiC) 器件相比，GaN 高电子迁移率晶体管 (HEMT) 的驱动频率更高（图 1）。

图 1：与硅或 SiC 器件相比，GaN HEMT 可实现更高频率开关模式电源。（图片来源：Infineon）

基于两个关键原因，GaN HEMT 的普及速度比较缓慢。首先，这种器件实质上是耗尽型场效应晶体管 (FET)，即“常开”型。相反，硅 MOSFET 是增强型场效应晶体管，即“常闭”型。因此，GaN HEMT 必须额外设计经仔细调校的偏置电路才能正常工作。其次，这种晶体管在制造工艺方面与硅所采用的成熟、大批量技术不同，这使它们更为昂贵。设计复杂且成本过高使 GaN HEMT 应用局限于高端 SMPS。

但最近，eGaN HEMT 已经商业化，不再需要偏置电路。而且，芯片供应商已推出基于 eGaN HEMT 的集成式电源 IC 驱动器，简化了设计。此外，生产水平的提高也降低了 eGaN 器件的成本。

集成式 GaN 解决方案

以前，在使用 eGaN HEMT 的高端 SMPS 设计中，由于价格高昂，设计人员只能将这些器件用作功率晶体管，而栅极驱动器则还是使用硅 MOSFET。虽然与“全硅”设计相比实现了部分性能的提升，但组合设计中的硅元件仍然影响了最大开关频率。此外，由于 GaN 和硅使用的工艺技术不同，栅极驱动器和功率晶体管必须作为单独的元器件制造，因而增加了成本和印刷电路板尺寸。

eGaN 价格降低使芯片制造商能够解决这两个问题。例如，Texas Instruments 在其 LMG3411R070 的集成栅极驱动中集成了 70 毫欧姆 (mΩ)、600 伏 eGaN 功率级（图 2）。

图 2：Texas Instruments 的 LMG3411R070 在其驱动器中集成了一个 70 mΩ、600 V 的 eGaN 功率级。（图片来源：Texas Instruments）

该芯片的压摆率可达 100 伏/纳秒 (ns) 且瞬时振荡近乎为零（图 3）。相比之下，传统硅功率 MOSFET 的压摆率典型值为 3 至 10 V/ns。

图 3：TI 的 LMG3411R070 集成式 eGaN 功率级表明，相比 MOSFET，eGaN 功率晶体管可以在瞬时振荡最小的情况下实现更高的压摆率。（图片来源：Texas Instruments）

Navitas Semiconductor 制造了类似产品 NV6113。该产品在 5 x 6 毫米 (mm) QFN 封装中集成了 300 mΩ、650 V 的 eGaN HEMT、栅极驱动器和相关逻辑电路。NV6113 的压摆率可达 200 V/ns，工作频率高达 2 兆赫兹 (MHz)。

TI 和 Navitas 的 GaN 功率级等器件可并行部署，用于常见的半桥拓扑结构（图 4），同时还有一些产品在同一芯片上集成了两个功率晶体管（及对应的栅极驱动器）。

图 4：如图所示，Navitas 的 NV6113 可并行部署，用于半桥拓扑结构。（图片来源：Navitas Semiconductor）

例如，EPC 最近推出了 EPC2115，这款集成驱动器 IC，包含两个 88 mΩ、150 V 的单片式 eGaN 功率晶体管，各配一个优化型栅极驱动器（图 5）。EPC2115 采用低电感 2.9 x 1.1 mm BGA 封装，最高可在 7 MHz 下运行。

图 5：EPC 的 eGaN 集成驱动器 IC 包含两个功率晶体管，各配有相应的优化型栅极驱动器。（图片来源：EPC）

一般情况下，使用 eGaN HEMT 设计电源与使用硅 MOSFET 设计遵循相同的原理，但是工作频率更高会影响外设元器件的选择。

外设元器件的选择

为了说明频率对元器件选择的影响，请考虑为实现简单的 DC-DC SMPS 降低电压（“降压”）拓扑，如何选择输入电容器。

输入电容器可降低输入电压纹波幅度，进而抑制纹波电流，使其达到可由相对便宜的大容量电容器处理的水平，且不会产生过大的功率耗散。若要将大容量电容器的电流保持在可接受限值范围内，根据经验，最好是将峰-峰电压纹波幅度降低到 75 毫伏 (mV) 以下。输入电容器通常是陶瓷器件，因为它们只需极小的等效串联电阻 (ESR) 就能有效降低纹波电压。

若要确定将峰-峰值电压纹波幅度降低到既定幅度所需的陶瓷输入电容器的电容值，可以使用公式 1：

其中：

• C_MIN 是所需陶瓷输入电容器的最小电容（以微法 (μF) 为单位）
• f_SW 是开关频率（以 kHz 为单位）
• V_P(max) 是允许的最大峰-峰纹波电压
• I_OUT 是稳态输出负载电流
• dc 是占空比（如上所述）
• （引自参考文献 1）

对于高端硅功率级，使用一些工作典型值计算可得出：

• V_IN = 12 V
• V_OUT = 3.3 V
• I_OUT = 10 A
• η = 93%
• f_SW = 300 kHz
• dc = 0.296
• V_P(max) = 75 mV

求得 C_MIN = 92 µF

对效率略有提高而其他工作条件类似的 eGaN 功率级（如工作频率为 2 MHz 的 Navitas 器件）重复以上计算可得出：

• V_IN = 12 V
• V_OUT = 3.3 V
• I_OUT = 10 A
• η = 95%
• f_SW = 2000 kHz
• dc = 0.289
• V_P(max) = 75 mV

求得 C_MIN = 13 µF

C_MIN 减小，因而可以使用较小元器件。

尽管 eGaN HEMT 的快速关断通常很有优势，但也带来了一些独特的设计挑战。其中最重要的就是造成过高的压摆率。

控制压摆率

较高的压摆率 (dV/dt) 可能会引起以下问题：

• 增加开关损耗
• 辐射和传导 EMI
• 在与开关节点耦合的电路中，对其他器件造成干扰
• 由于电源回路的电感和其他寄生元件，造成了开关节点的电压过冲和瞬时振荡

这些问题在启动或硬开关条件下最为明显。

使用 Navitas 产品时，一种简单的解决方案是通过在 C_VDD 电容器与 V_DD 引脚之间添加电阻器来控制导通时的压摆率（同样见图 4）。该电阻器 (R_DD) 的大小决定了集成式栅极驱动器的导通电流和功率 FET 漏极的导通（下降）沿压摆率（图 6）。

图 6：R_DD 电阻器的大小决定了 NV6113 导通电流和功率 FET 漏极的导通（下降）沿压摆率。（图片来源：Navitas Semiconductor）

只需将电阻器 (R_DRV) 连接到功率晶体管源极，LMG3411 也支持压摆率调节（同样见图 2）。选择电阻器可将漏极电压的压摆率控制在大约 25 至 100 V/ns 之间。

压摆率的选择最终是一种权衡。开关速度更快，导致同时（且低效地）产生的大电流持续时间缩短，因此可降低功率损耗，但其他性能指标也随之降低。根据经验，最好是在确保 EMI、过冲和瞬时振荡在规定范围内的前提下，实现最快的开关速度。

第二个设计挑战是因高频工作引起过流事件的风险。

过流保护的重要性

设计具有更高开关频率 SMPS 的关键优势是缩小无源元器件的尺寸，进而增大整体功率密度。但缺点在于在发生过流事件时，高功率密度会增大受损的可能性。过流事件是 SMPS 经常存在的风险。此外，由于电源印刷电路板印制线的外部寄生电感，过高尖峰电流可能导致误触发。

虽然快速过流保护 (OCP) 对于使用传统 MOSFET 的 SMPS 来说很重要，但对于 eGaN HEMT 来说却更为重要，因为：

• 在阻断电压和导通电阻相同的情况下，eGaN HEMT 的尺寸要小得多，因此在过流时就更难散热；
• eGaN HEMT 在线性区域内工作时，就必须检测出过流，否则器件会迅速进入饱和状态，从而导致功率耗散过大和器件受损。

一种传统的 OCP 方法是使用电流互感器、分流电阻器或去饱和检测电路（如下表）。然而，这会增大电源回路的寄生电感和电阻，反而需要降低压摆率，且导致功率耗散升高，从而对系统性能产生不利影响。此外，互感器或分流电阻器等分立器件会增加成本，占用电路板空间。

另一种 OCP 方法是使用电流检测元件、电平位移器（将信号发送给控制器）和检测电路来检测 GaN FET 的漏源电压 (V_DS)。这种方法的优势在于不产生寄生电感和电阻，故不会影响电路性能，但精度不佳，主要是因为 GaN 的温度系数较大。

第三种方法是选择集成了 OCP 功能的集成式 eGaN 功率级。这克服了上述两种方法的缺点。TI 的 LMG3411 就是一款具备此功能的产品。若检测到过流，LMG3411 的保护电路可在 100 ns 内关断 eGaN HEMT。若下一个周期时，PWM 输入恢复为低电平，则输出故障信号便会清除。这样，下一个周期时 eGaN HEMT 就能正常导通，从而最大限度地减少输出中断。

表：GaN HEMT 功率级的 OCP 方法选择汇总。对于不熟悉该技术的设计人员来说，选择集成 OCP 的功率级是最简单的解决方案。（图片来源：Texas Instruments）

总结

随着太阳能逆变器和服务器农场等应用对高能量密度 SMPS 的需求不断增长，加之每个器件成本的降低，eGaN HEMT 成为更多电源设计的有吸引力选择。虽然使用 eGaN HEMT 进行设计可能非常棘手，但随着集成了栅极驱动器和功率晶体管的 eGaN HEMT 功率级的推出，SMPS 设计人员能更轻松地将该技术融入下一个高功率密度设计之中。

参考文献

1. “Input and Output Capacitor Selection,” Jason Arrigo, Texas Instruments, application report SLTA055, February 2006.