這篇文章最初由 M. Di Paolo Emilio 發表於 Power Electronic News 網站。

基於氮化鎵技術 (GaN) 的功率切換器件現在已進入批量生產階段，並在實際電力應用中提供高效率和高功率密度。本文將探討如何使用 GaN 技術實現高功率解決方案，並介紹應用範例，展示 GaN 器件如何在超過 600 伏的情況下有效工作。

GaN 器件在幾個重要方面與頂級場效應電晶體 (FET) 和其他基於矽的元件有所不同。GaN 器件可以使解決方案的功率密度提高兩倍或更多，相比之下，矽基方法則更難實現。結果是元件和封裝尺寸可以縮小，從而減少 PCB 面積。儘管 GaN 器件提供比其矽前輩更高的效率，但整體系統成本也相對較高。

德州儀器 (TI) 的 GaN 解決方案，如 LMG5200 (80 V) 和 LMG3410R070 (600 V，70-mΩ R_DS(on)) 已經達到批量生產階段，目前已在許多客戶應用中使用。另一款 GaN 器件 LMG3410R050 正在預覽中，預計在未來幾個月內進入量產階段。

GaN 應用

一個典型的 GaN 器件電力應用如 圖 1 所示，其中 230-VAC 市電電壓需要轉換為 48-VDC 電壓以驅動機器手臂。左側是功率因數校正 (PFC) 階段，其最高效率為 99%，開關頻率為 1 MHz。紅色標註的是高開關頻率和大約 15 W/cm³ 功率密度的 GaN 半橋範例。PFC 階段生成的輸出是一個恆定的 400 VDC，非常適合為圖中間的 DC/DC LLC 電路供電。事實上，為了實現高效率，LLC 轉換器需要一個恆定的輸入電壓。圖 1 中顯示的 DC/DC 轉換器提供 97% 的效率、1 MHz 的開關頻率、1 kW 的隔離輸出功率和 8.5 W/cm³ 的功率密度。圖 1 右側的裝置是電動機驅動器，基於 LMG5200 的 4 至 8 V/10 A 三相 100 kHz 逆變器。注意到沒有散熱器，其功率密度非常高，達到 30 W/cm³。

為了更好地了解 GaN 技術相對於矽器件的優勢，請考慮 圖 2 所示的晶體管。首先，輸入的閘電容大約是可比較的矽基解決方案的四分之一，這使得開關速度更快，效率更高，因為閘驅動損耗減少了。另一個重要的好處是低輸出電容/電荷，這導致更高的開關頻率，從而有助於減少開關損耗。此外，R_DS(on) 約為矽器件的一半，從而降低了導通損耗。最後，使用這個晶體管可以消除集成的“體”二極體，這意味著我們可以在開關節點上實現更少的振鈴並消除任何反向恢復損耗。

集成驅動器和保護電路

德州儀器在其 GaN 器件中完全集成了驅動器，以減少 PCB 面積並簡化整體設計。一個完全集成的 GaN 功率器件，如 LMG3410，包括低開關節點振鈴（100 V/納秒開關，幾乎沒有 V_ds 振鈴）以減少電磁干擾（EMI），100 ns 內的過電流保護和過溫關閉。一個離散的 GaN 器件需要外部驅動器和保護電路，這意味著額外的成本、更大的 PCB 面積和顯著的設計挑戰。圖 3 總結了一個集成驅動器與一個離散 GaN 器件相比的優勢。

驅動器偏置電壓是首先需要仔細評估的方面，因為它對性能和長期器件可靠性至關重要。如 圖 4 所示，GaN 偏置電壓應調整以保持平均故障時間 (MTTF) 在安全值內（即在虛線水平線上方，對應於 10 年的壽命）。

一個離散的 GaN 也需要一個合適的過電流保護電路。在高頻和高速率下設計一個穩健的過電流保護電路是困難且昂貴的。寄生電感會引起開關損耗、振鈴和可靠性問題，特別是在高 GaN 頻率下。通過集成驅動器，可以實現如 圖 5 所示的信號形狀。開關時間最短，上升時間為 10² V/ns。這意味著信號在不到 4 ns 的時間內從 0 上升到 400 V。

外部過電流保護 (OCP) 和防穿越保護電路還需要一個額外的感測電阻。為了獲得更好的信噪比 (SNR)，可能會選擇一個高值的電阻。因此，功率迴路和功率損耗都會增加，因為隨著時間的推移，電壓導數 (dV/dt) 會從 100 降低到 80 V/ns，而且因為感測電阻的存在。圖 6 比較了一個完全集成的和自定義實現的過電流保護電路，並展示了一個由兩個 12-mΩ 電阻並聯得到的電阻分流器範例。

GaN 應用：AC/DC 轉換器

一個廣泛使用的 GaN 應用是 AC/DC 轉換。圖 7 說明了一個典型的拓撲結構，用於在工業、醫療、電信和伺服器應用中實現電源單元 (PSU)。轉換器具有寬輸入電壓 (85 至 265 VAC) 的 PFC 階段，恆定輸出為 400 VDC，以及能夠提供不同輸出電壓 (12、24 和 48 VDC) 的 LLC 轉換器。

轉換器的 PFC 階段可以根據 圖 8 左側的電路圖實現，顯示了典型的圖騰柱配置，其中可以使用 600 V GaN 半橋或 G3410。PFC 電感器用於調節輸入電流與輸入電壓相位一致。圖 8 右側顯示了 LLC 電路的電路圖，其中共振由 L_r、C_r 和 L_m 的值決定。這個階段可以使用 GaN 器件實現，如 LMG5200，一個高壓直接驅動 GaNFET，它提供快速開關並最小化半橋開關之間的死區時間。

這種解決方案提供高效率，將損耗降低到 36%，並實現更高的功率密度（在圖騰柱 PFC 中達到矽的 3 倍）。它還允許使用更少的散熱器和更小的電感器和電容器，從而減輕了完整解決方案的重量而不增加成本。

考慮 圖 9 所示的 1.6 kW 圖騰柱 PFC。該解決方案實現了 1 kW 的輸出功率，開關頻率高達 140 kHz，輸出電壓為 285 VDC（來自寬輸入電壓），功率密度大約為 10 W/cm³。

如圖 2 所示的晶體管所示，低輸出電容 (C_OSS) 很重要，因為它減少了死區時間，增加了向輸出輸送電流的時間。這也意味著更大的激磁電感和更低的環流損耗以及更低的變壓器邊緣場損耗。閘驅動器損耗也可以減少，而系統優化可以通過提高開關頻率、效率和功率密度來實現。圖 10 說明了相關波形，顯示開關頻率 (f_SW) 低於共振頻率 (f_R)。在死區時間和環流損耗方面都有明顯減少。

德州儀器的 PMP20637，如 圖 11 所示，是一款高效率、高功率密度、輕量級的諧振轉換器 (LLC) 參考設計。它將 380 至 400 V 輸入轉換為 48 V/1 kW 輸出，具有固定的 1 MHz 開關頻率。PMP20637 電源級實現了超過 97% 的峰值效率和大約 8.5 W/cm³ 的功率密度。

GaN 和矽功率 MOSFET 器件效率的比較如 圖 12 所示。圖表顯示，減少的電容和環流電流在低電流負載下顯著提高了效率。在較高電流下，有限的電阻有助於實現效率的略微改善。

GaN 應用：電機驅動

GaN 器件在電機驅動應用中提供顯著優勢。散熱器可以減少或消除。GaN 還減少或消除了開關節點振盪，從而降低了輻射 EMI 並消除了對額外吸收網絡的需求。使用 GaN 器件可以增加脈寬調製 (PWM) 頻率，從而驅動非常低電感的永磁電機或無刷直流電機。在伺服驅動器/步進電機中，可以通過最小的轉矩脈動獲得更準確的位置，並且可以實現高於 1 至 2 kHz 頻率的更好正弦波電壓，這是高速無人機電機的理想解決方案。

圖 13 顯示了一個 48 V/10 A 的三相逆變器，用於高轉速電機。它包括三個 LMG5200 GaN 半橋。該逆變器接受寬輸入電壓範圍（12 至 60 VDC/400 W），開關頻率為 100 kHz，峰值效率為 98.5%，功率密度為 9.5 W/cm³。

圖 14 顯示的溫度分佈揭示了我們的 48 V/10 A 逆變器的熱性能。如圖所示，無需散熱器；所有熱量都通過自然對流散發。在 28°C 外部溫度下，裝置在滿負荷條件下以 100 kHz 開關，達到的最高溫度為 106°C。

GaN 超過 600 V 的應用

西門子開發了一個基於 LMG3410R050 GaN 器件的高效電網連接演示項目（圖 15）。一個多級雙向 GaN 轉換器將三相電網功率（400 VAC 線對線和 230 VAC 線對中性線）轉換為 700 VDC 電壓。具有 50-mΩ R_DS(on) 的 LMG3410 最大功率為 10 kW，雙向。一個德州儀器的 Delfino 雙核微控制器控制該電力解決方案，還具有 Wi-Fi SimpleLink 連接。

該演示應用展示了 GaN 器件如何為高達 10 kW 及以上的電力應用提供可擴展的電網解決方案，相比矽設計實現了磁性元件縮減 5 倍和功率元件縮減 3 倍。它還代表了一個基於雲端的解決方案，用於遙測、控制和系統維護。其他目標應用都涉及功率器件，如 圖 16 所示。

GaN 技術正在實現新一代電力轉換設計，這在其他情況下是不可能實現的。功率密度可以從 AC 到負載點提高多達 3 倍。在開關頻率為 1 MHz 的隔離 LLC 轉換器中，GaN 技術使磁性元件的尺寸和重量減少了 6 倍。將驅動器和 GaN 集成在低電感封裝中，為快速（更高的開關頻率）和可靠（更長的壽命）器件提供最佳解決方案。

由 M. Di Paolo Emilio 撰寫，基於德州儀器高級模擬應用工程師 Xaver Arbinger 的演講

Rick Pierson, Senior Manager, Digital Marketing