集成氮化镓(GaN) 功率 FET正在改变传统电源方案

作为一名电力电子工程师，有句话说得好，没有从电力设备爆炸中吸取的教训，就没有成功。在我多年使用硅基 MOSFET 调试开关模式电源的经验中，这似乎是正确的。通过反复试验和对设备故障的研究，我们可以学习如何设计可靠工作的转换器。

在氮化镓 (GaN) 功率 FET 的早期阶段，故障很常见。更严格的门环设计要求、更高的 dv/dt 以及共源电感的影响都使电路对寄生效应和噪声更加敏感。当 TI 的首批600V GaN 功率级样品问世时，我惊叹于该产品的稳健性及其自我保护功能的有效性。尽管功率级已经通过严格的测试验证，但我之前使用硅部件的经验让我对它在实际使用中的稳健性感到好奇。更重要的是，这些功能是否会改变电路原型设计和调试的传统智慧？

在最近的交错式转换器设计中，我使用了两个 TI 半桥 LMG3410-HB-EVM 评估模块 (EVM)，其中包含一些基本直流总线设计，由 UCD3138 数字脉宽调制 (PWM) 控制器控制。当两个交错式半桥一起工作时，我看到 PWM 信号反复受到高 dv/dt (100V/ns) 的影响，导致 480V 的 FET 直通并触发集成过流保护（图 1）。

与大多数 FET（在这种情况下会发生故障）不同，LMG3410 集成功率级使我能够在不损坏的情况下重复故障条件，并快速调试到根本原因。对于传统零件来说，这将是非常费力的，并且可能不安全。

图 1：击穿事件后功率级的自关断（蓝色：上部 FET PWM；黄色：下部 FET PWM；绿色：电感器电流）

通过 R DRV改变压摆率，我发现单相操作的 50V/ns 或 100V/ns 具有稳健的操作，而两相操作的 100V/ns 则没有。根本原因是共模 (CM) 噪声污染和控制器外围电路的未优化布局，导致不同 PWM 通道之间的时钟同步不匹配（图 2）。

图 2：PWM 不同步导致电感电流浪涌（蓝色：上部 FET PWM；黄色：下部 FET PWM；绿色：电感电流；红色：触发故障信号）

TI 的 ISO7831 数字信号隔离器提供足够高的 CM 瞬变抗扰度 (CMTI) (>100V/ns)，但隔离电源（通常具有更高的 CM 电容）很容易将来自开关节点电压的噪声耦合到控制在高 dv/dt 下接地（图 3）。由于多相同时运行，更多的共模噪声会被注入控制侧。

电源设计人员有时会忽略这个问题，因为硅器件和一些带有外部驱动器的 GaN FET 无法实现如此高的压摆率。我通过在上部 FET 的隔离电源上添加额外的 CM 扼流圈并改进数字控制器的去耦回路成功解决了该问题，从而减少了控制器的接地弹跳和噪声耦合。得益于 LMG3410 的集成保护功能，我在整个调试过程中没有遇到过一次灾难性故障，尽管多次出现 CM 噪声引起的故障。

图 3：隔离电源和数字隔离器之间的 CM 电容

除了过流故障，过温事件在电源转换器中也很常见。尽管经验丰富的工程师具有良好的热设计技能，但保持器件结点冷却仍然具有挑战性，并且容错率不大。随着时间的推移，风扇故障或散热器劣化等事件可能导致灾难性故障。幸运的是，LMG3410 集成了过温保护，当我的风扇电源意外关闭时，它来救我了。热跳变点设置为 165 ° C，为短暂的温度偏移留出足够的余量，但可防止设备因与冷却相关的系统故障而遭受永久性损坏。

虽然 GaN 在系统效率、尺寸和冷却方面具有优势，但其高开关速度和频率也带来了越来越多的挑战。

TI GaN 产品的保护和其他集成功能正在改变使用分立 Si MOSFET 的传统智慧，让我们了解高速开关转换器设计的复杂性。这些产品不仅可以在我们调试新设计时保护设备免受永久性损坏，而且还可以通过防止长期运行下的栅极过应力来提高稳健性，因为集成驱动器设计减少了栅极振铃。

世界已经见证了摩尔定律带来的电子产品的巨大扩展和系统密度的提高。由于 GaN 技术的发展以及易于使用的 GaN 功率级（如具有自我保护功能的 LMG3410）的推出，这种趋势现在正在进入电力电子领域。