如何使用 GaN 进行设计

最近可能遇到了“GaN”，它正在一些关键的功率转换应用中取代硅 (Si)。在本博客系列“如何使用 GaN 进行设计”中，我将了解氮化镓 (GaN) 与 Si 的不同之处，以及使用 GaN 创建电源设计时的关键考虑因素。

在所有电力电子应用中，功率密度是关键指标之一，这主要由更高能效和更高开关频率驱动。随着基于硅的技术接近其发展极限，设计工程师现在正寻求宽禁带技术如氮化镓(GaN)来提供方案。

对于新技术而言，GaN本质上比其将取代的技术(硅)成本低。GaN器件与硅器件是在同一工厂用相同的制造程序生产出。因此，由于GaN器件小于等效硅器件，因此每个晶片可以生产更多的器件，从而降低了每个晶片的成本。

GaN有许多性能优势，包括远高于硅的电子迁移率(3.4eV对比1.1eV)，这使其具有比硅高1000倍的电子传导效率的潜力。值得注意的是，GaN的门极电荷(QG)较低，并且由于必须在每个开关周期内对其进行补充，因此GaN能够以高达1 MHz的频率工作，效率不会降低，而硅则难以达到100 kHz以上。此外，与硅不同，GaN没有体二极管，其在AlGaN / GaN边界表面的2DEG可以沿相反方向传导电流(称为“第三象限”操作)。因此，GaN没有反向恢复电荷(QRR)，使其非常适合硬开关应用。

不久前，我开始研究LMG5200的定义和评估，这是一款集成驱动器的 GaN 半桥场效应晶体管 (FET)。

LMG5200器件集成了 80V、10A驱动器和GaN半桥功率级，采用增强模式氮化镓(GaN)FET提供了一套集成功率级解决方案。该器件包含两个80V GaN FET，它们由采用半桥配罝的同一高频GaN FET驱动器提供驱动。

GaN FET在功率转换方面的优势显著，因为其反向恢复电荷几乎为零，输入电容Ciss也非常小。所有器件 均安装在一个充全无键合线的封装平台上，尽可能减少了封装寄生元件数。LMG5200器件采用6mm x 8mm x 2mm无铅封装，可轻松安装在PCB上。该器件的输入与TTL逻辑兼容，无论VCC电压如 何，都能够承受高达12V的输入电压6专有的自举电 压钳位技术确保了增强模式GaN FET的栅极电压处于安全的工作范围内。

该器件配有用户友好型接口且更为出色，进一步提升了 分立式GaN FET的优势6对于具有高频、高效操作及小尺寸要求的应用而言，该器件堪称理想的解决方案。与TPS53632G控制器搭配使用时，LMG5200能 够直接将48V电压转换为负载点电压(0.5-1.5V)。

它的优点是什么?更高的效率、更小的外形尺寸、新的应用——不胜枚举。在我使用这款新设备的第一天，我意识到我们正在处理一些完全开箱即用的东西。这种材料速度如此之快，以至于设计电源板的旧技术需要彻底重新审视，一种回到白板的方法。

很明显，要从该设备中获得最佳性能，我不能简单地用LMG5200替换硅半桥。我必须优化电源回路，以确保整个电源回路的电感在 400pH 左右或更低。这意味着使用电感消除技术，确保返回路径直接位于下方并尽可能靠近，除了总线的大容量电容器外，还使用低电感的去耦电容器。

低功率回路电感最大限度地减少了开关节点中的过冲和振铃量。这有助于提高效率，也避免了违反设备绝对最大额定值的任何机会。

这份关于布局技术的应用笔记深入探讨了如何优化电源环路布局的细节。

测量 GaN 器件的性能也需要特殊考虑。我必须使探头接地尽可能靠近开关节点，。

为了最大限度地发挥具有LMG5200等集成驱动器的 GaN 半桥的优势，务必特别注意功率环路电感以获得最高性能。