GaN FET:工业电源设计的未来万博投注网址

文章：Maurizio di Paolo Emilio

德州仪器公司的下一代650 v和600 v氮化镓场效应晶体管(GaN)将成为汽车和工业应用的关键因素。这些新的GaN FET家族达到99%的效率根据数据表规格。

电动汽车的不断增长导致了对动力解决方案的强烈需求，这些方案具有紧凑、轻量化的特点，同时还能提供高性能和减少排放。

在接受电力/ EE时代的采访中，高压电力和史蒂夫汤姆，GAN产品线管理器的副总裁Steve Lambouses突出了新GAN FETS如何降低工业电源管理解决方案的大小电动汽车（EVS）中的环境，特别是充电器和DC / DC转换器，在那里他们将有助于更长的电池寿命。

电力行业趋势

世界对更多能源的需求将继续增长，而生产更多能源的能力将更加有限。德州仪器强调，半导体创新将弥合差距，使世界能够用更少的电力做更多的事。“我们可以看到这个行业的五个趋势，”兰姆斯说。“功率密度，增加功率密度可以在降低系统成本的同时实现更多的系统功能。低电磁干扰，最小化与其他系统组件的干扰，简化工程师的设计和确认过程。”

Tom补充说，“其他的主题是低智商延长电池寿命，低噪音和精度，以提高精密模拟应用的可靠性，以及隔离，使最高的工作电压和高电压和安全关键应用的最高可靠性。”

双极和场效应晶体管发现很难应付高功率需求。只有在牺牲效率、形状因素和散热的情况下，它们才能增加功率密度——低效的开关会导致严重的汽车损失。采用宽带隙材料的快速交换技术带来的好处包括减少系统尺寸和成本，以及提高效率。Tom说:“为了优化效率，我们通过集成来推动开关频率，我们可以做到这一点，因为封装电感很小。”

GaN是一种极其多功能的半导体材料，可以在高温和电压下运行 - 有助于有效地满足各种通信和工业设计。万博投注网址电动汽车领域的挑战之一是快速有效的充电。GaN技术可以提供快速充电，以更有效地使用能量。

在电动车辆中，有效的能量管理涉及电池及其充电，电池本身的安全性以及产品的成本效益。锂离子电池可以占车辆成本的30％，“GaN的解决方案可以减少超过40％的损失，”Lambouses说。由于GaN更大的开关能力，它可以更有效地使用更少的组件更有效地转换更高的功率水平，如图1所示。

GaN FET解决方案

在大型电力系统中，由于不同的工艺技术，“标准”FET与栅极驱动器分开使用。这产生了额外的寄生电感，限制了GaN的切换性能。公共源电感显着增加了切换损耗。

TI’s new family of industrial 600 and 650-V (the latter for automotive) GaN devices integrates a GaN FET, driver, and protection functions at 30 and 50-mΩ power stages to provide a single-chip solution for applications ranging from sub-100 W to 22 kW.

Tom说:“一个集成栅极驱动器的GaN FET，如LMG3425R030，可以在150 V/ns的转速下最小化寄生电感，同时提供比离散GaN FET低66%的第三象限损耗和更高的EMI衰减。”

在考虑长期影响时，这一实施如TI所突出的，与效率特别相关。新的GaN FET减少了转换损耗并简化了热控制设计。

“集成了过流和过温保护功能，通过提供自我监测，保护系统免受常见电源故障的影响，”lambouse说。

高集成度的GaN器件可以通过集成功能和保护特性，更有效地提高高压电源的可靠性和优化性能。与硅mosfet不同，氮化镓在“二极管样”模式的第三象限导电，通过降低压降来最小化死区时间。TI的LMG3425R030和LMG3425R050的理想二极管模式进一步减少了电源传输应用中的损耗。

“这些解决方案的主要好处可以总结在以下几点：它使电源输出量两倍于1U机架服务器，与硅MOSFET相比加倍功率密度;AC / DC电力输送应用中的99％效率;电源单元（PSU）集成，高速保护和数字温度，“汤姆说。

死区时间损失与器件的反向传导电压有关。对于SI MOSFET，该电压由其体二极管的特性决定。对于GaN，反向导通电压取决于第三象限特性（图3和4）。

图4:氮化镓在第一和第三象限的简化行为(来源:Texas Instruments)

LMG3522R030-Q1和LMG3525R030-Q1 650-V是本系列的汽车等级。“他们将电动车辆（EV）的大小降低，与2.2-MHz集成栅极驱动器，”汤姆说。

所有版本都有用于在各种应用中快速实现的板。它们配置为具有套接字风格的外部连接，可轻松与外部电源级接口。

结论

开关电源的设计者不断地寻求增加功率密度的同时提高效率。GaN器件使解决方案具有比超级结fet更高的功率密度。但与此同时，他们也需要仔细的电路、工艺和材料工程:即，通过新的JEDEC JC-70指南为氮化镓电源转换器件的开关可靠性评估程序进行高质量GaN晶体生长、介电优化和测试优化。

本文最初发表于EEWEB.。

Maurizio di Paolo Emilio抱着博士学位。在物理学中，是一名电信工程师和记者。他曾在引力波研究领域的各种国际项目工作。他与研究机构合作，为空间应用设计数据采集和控制系统。他是Springer发表的几本书的作者，以及电子设计的众多科技出版物。