使用GaN设计高效高密度电源解决方案

技术分享GaN技术杂谈 – Rick Pierson 6月 11, 2019

本文最初由M. Di Paolo Emilio发表在Power Electronic News网站上。

基于氮化镓技术（GaN）的功率开关器件现在已经量产，并在实际的电源应用中提供了高效率和高功率密度。本文将探讨如何使用GaN技术实现高功率解决方案，介绍一些应用实例，展示GaN器件如何在超过600伏的条件下有效工作。

GaN器件在几个重要方面与最佳的场效应晶体管（FET）和其他基于硅的组件不同。GaN器件能够实现的解决方案，其功率密度比基于硅的方法提高了两倍或更多。因此，可以减小组件和封装尺寸，从而实现占用更小PCB面积的解决方案。GaN器件还提供了比其硅前辈更高的效率，尽管总体系统成本也相对较高。

德州仪器（TI）的GaN解决方案，如LMG5200（80 V）和LMG3410R070（600 V，70毫欧R_DS(on)），已经量产并在许多客户应用中使用。另一个GaN器件LMG3410R050目前正在预览中，并将在未来几个月内进入批量生产。

GaN应用

典型的GaN器件电源应用如图1所示，其中主电源230-VAC电压需要转换为48-VDC电压以为机器人手臂供电。左侧是功率因数校正（PFC）阶段，最大效率为99%，开关频率为1 MHz。红色部分突出显示了具有高开关频率和约15 W/cm³功率密度的GaN半桥实例。PFC阶段产生的输出为恒定的400 VDC，非常适合为图中心的DC/DC LLC电路供电。事实上，为了实现高效率，LLC转换器需要恒定的输入电压。图1中的DC/DC转换器提供97%的效率，1 MHz的开关频率，1 kW的隔离输出功率和8.5 W/cm³的功率密度。图1右侧的设备是电机驱动器，一个基于LMG5200的4到8 V/10 A，三相，100 kHz逆变器。注意没有散热器。功率密度非常高，为30 W/cm³。

为了更好地了解GaN技术相对于硅器件的优势，请看图2中的晶体管。首先，输入的栅极电容约为可比硅基解决方案的四分之一，从而提高了开关速率和效率，因为栅极驱动损耗减少。另一个重要的好处是低输出电容/电荷，这导致更高的开关频率，从而有助于减少开关损耗。此外，R_DS(on)约为硅器件的一半，导致较低的导通损耗。最后，使用这种晶体管可以消除集成的“体”二极管，这意味着可以减少开关节点的振铃并消除任何反向恢复损耗。

集成驱动和保护电路

德州仪器在其GaN器件中完全集成了驱动器，以减少PCB面积并简化整体设计。像LMG3410这样的完全集成的GaN功率器件包括低开关节点振铃（100 V/纳秒开关，几乎没有V_ds振铃），减少电磁干扰（EMI），过流保护小于100 ns，以及过温关断。离散的GaN器件需要外部驱动和保护电路，这意味着额外的成本，PCB上占用的面积更大，并且设计挑战显著。图3总结了集成驱动器与离散GaN器件的优点比较。

驱动器偏置电压是第一个需要仔细评估的方面，因为它对性能和长期设备可靠性至关重要。如图4所示，GaN偏置电压应调整以保持平均故障时间（MTTF）在安全值（即在虚线水平以上，对应10年的寿命）。

离散的GaN还需要适当的过流保护电路。在高频率和转换速率下设计稳健的过流保护电路既困难又昂贵。寄生电感导致开关损耗，振铃和可靠性问题，尤其是在高GaN频率下。使用集成驱动器，可以实现如图5所示的信号形状。开关时间最短，上升时间为10² V/ns。这意味着信号在不到4 ns的时间内从0上升到400 V。

外部过流保护（OCP）和穿透保护电路还需要额外的感应电阻。可能会选择具有较高值的电阻以获得更好的信噪比（SNR）。因此，电源环路和功率损耗都会增加，因为电压随时间的变化率（dV/dt）会降低，从100降至80 V/ns，并且由于感应电阻的存在。集成和定制实现的过流保护电路之间的比较如图6所示，还显示了通过两个12毫欧电阻并联获得的电阻分流示例。

GaN应用：AC/DC转换器

GaN的一个广泛应用是AC/DC转换。图7展示了用于实现工业、医疗、电信和服务器应用中的电源单元（PSU）的典型拓扑结构。转换器具有宽输入电压（85到265 VAC）、恒定输出400 VDC和能够提供不同输出电压（12、24和48 VDC）的LLC转换器。

转换器的PFC阶段可以根据图8左侧的原理图实现，展示了典型的图腾柱配置，其中可以使用600 V的GaN半桥或G3410。PFC电感器用于调节输入电流与输入电压相位一致。图8右侧展示了LLC电路的原理图，其中谐振由L_r、C_r和L_m的值确定。该阶段可以使用GaN器件实现，如LMG5200，一个高压直接驱动GaNFET，提供快速开关并最小化半桥开关之间的死区时间。

这种解决方案提供高效率，减少高达36%的损耗，并实现更高的功率密度（在图腾柱PFC中相对于硅高达3倍）。它还允许使用更少的散热器和更小的电感器和电容器，从而减少整体解决方案的重量而不增加成本。

考虑图9中的1.6 kW图腾柱PFC。该解决方案实现了1 kW的输出功率，开关频率高达140 kHz，输出电压为285 VDC（源自宽输入电压），功率密度约为10 W/cm³。

正如图2中的晶体管所展示的那样，低输出电容（C_OSS）非常重要，因为它减少了死区时间，增加了将电流输送到输出的时间。这也意味着更大的激磁电感和更低的环流损耗以及更低的变压器边缘场损耗。门驱动损耗也可以减少，而系统优化可以通过增加开关频率、效率和功率密度来实现。图10展示了相关波形，显示开关频率（f_SW）低于谐振频率（f_R）。死区时间和环流损耗的减少非常明显。

德州仪器的PMP20637，如图11所示，是一个高效、高功率密度、轻量级的谐振转换器（LLC）参考设计。它将380到400 V输入转换为48 V/1 kW输出，具有固定的1 MHz开关频率。PMP20637功率级实现了超过97%的峰值效率和约8.5 W/cm³的功率密度。

图12提供了GaN和硅功率MOSFET器件效率的比较。如图所示，电容和环流的减少显著提高了低电流负载下的效率。有限的电阻有助于在更高电流下实现效率的轻微提高。

GaN应用：电机驱动

在电机驱动应用中，GaN器件提供了显著的优势。可以减少或消除散热器。GaN还减少或消除了开关节点振荡，从而降低辐射的EMI，消除需要额外的缓冲网络。使用GaN器件还可以增加脉宽调制（PWM）频率，从而驱动非常低电感的永磁电机或无刷直流电机。通过最小扭矩波动可以获得更精确的伺服驱动/步进电机定位，并且可以实现频率超过1到2 kHz的更好的正弦电压——这对于高速无人机电机来说是理想的解决方案。

图13展示了一个用于高速电机的48 V/10 A三相逆变器。它包括三个LMG5200 GaN半桥。逆变器接受宽输入电压范围（12到60 VDC/400 W），开关频率为100 kHz，峰值效率为98.5%，功率密度为9.5 W/cm³。

图14显示的温度曲线揭示了我们48 V/10 A逆变器的热性能。如图所示，不需要散热器；所有的热量通过自然对流散发。在外部温度为28°C且设备在满负载条件下以100 kHz开关时，达到的最大温度为106°C。

将GaN推向600 V以上

西门子开发了一个基于LMG3410R050 GaN器件的高效电网链接演示项目（图15）。一个多级双向GaN转换器将三相电网电力（400 VAC线对线和230 VAC线对中性线）转换为700 VDC电压。LMG3410具有50毫欧R_DS(on)，额定最大功率为10 kW，双向。德州仪器的Delfino双核微控制器控制电源解决方案，并具有Wi-Fi SimpleLink连接。