GaN FET 成为下一代工业电源的优先选择

1.前言

传统的电源主力——金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET) 和绝缘栅双极晶体管 (IGBT)——只有在牺牲效率、外形尺寸和散热的情况下才能提高功率密度。

进入氮化镓 (GaN) 半导体，它可以更快地处理电力电子设备，并为越来越多的高压应用更有效地提供电力。GaN 更高的开关能力意味着它可以使用更少的组件更有效地转换更高级别的功率，如下图 1 所示。 5G 电信整流器和服务器计算。GaN 正在推动新应用的极限，并开始取代汽车、工业和可再生能源市场中的传统硅基电源解决方案。

图 1：比较硅设计与 GaN 设计的磁性功率密度

2.GaN FET：新的集成场所

大型数据中心、企业服务器和电信交换中心消耗大量电力。在这些电源系统中，FET 通常与其栅极驱动器分开封装，因为它们使用不同的工艺技术，最终会产生额外的寄生电感。

除了更大的外形尺寸外，这还会限制 GaN 在高转换速率下的开关性能。另一方面，具有集成栅极驱动器（例如 LMG3425R030）的 TI GaN FET 可以以 150 V/ns 的压摆率将寄生电感降至最低，同时与分立式 GaN 相比，损耗降低 66% 并更好地减轻电磁干扰场效应管。图 2 显示了带有集成栅极驱动器的 TI GaN FET。

图 2：600V GaN FET 与栅极驱动器和短路保护的集成

在数据中心和服务器群中，TI 的新型 GaN FET 支持更简单的拓扑结构，例如图腾柱功率因数校正，从而降低转换损耗、简化热设计并缩小散热器。与相同尺寸的 1U 机架式服务器中的硅 MOSFET 相比，这些器件可实现两倍的功率密度，同时实现 99% 的效率。在考虑长期影响时，这种功率密度和效率节省变得尤为重要。例如，假设服务器群通过安装 GaN 设备每月将其 AC/DC 效率提高 3%。如果该服务器群每天转换 30 kW 的电力，他们每月将节省超过 27 kW，这大约是每月 2,000 美元和每年 24,000 美元。

当 GaN FET 与限流和过热检测集成时，它可以防止击穿和热失控事件。此外，系统接口信号可实现自我监控功能。

可靠性是电力电子产品的关键因素。因此，与传统的级联和独立 GaN FET 相比，高度集成的 GaN 器件可以通过集成功能和保护特性更有效地提高可靠性并优化高压电源的性能。

使用外部驱动器时，寄生电感会导致开关损耗以及高 GaN 频率下的振铃和可靠性问题。共源电感显着增加了导通损耗。同样，以高转换率设计稳健的过流保护电路既困难又昂贵。但 GaN 自然没有体二极管，这导致开关节点上的振铃更少，并消除了任何反向恢复损耗。

3.具有保护功能的 GaN 器件

GaN 器件的结构与硅器件非常不同。尽管它们可以更快、更难切换，但从性能和可靠性的角度来看，它们面临着独特的挑战。使用分立 GaN 器件时还存在设计简单性和物料清单成本等问题。

全新的工业 600V GaN 器件系列在 30mΩ 和 50mΩ 功率级上集成了 GaN FET、驱动器和保护功能，为低于 100 W 到 10 kW 的应用提供单芯片解决方案。LMG3422R030、LMG3425R030、LMG3422R050 和 LMG3425R050 GaN 器件面向高功率密度和高效率应用。

与硅 MOSFET 不同，GaN 在第三象限中以“类似二极管”的方式导电，并通过降低电压降来最小化死区时间。TI 在 LMG3425R030 和 LMG3425R050 中的理想二极管模式进一步最大限度地减少了供电应用中的损耗。

这些 GaN 器件已经通过了 4000 万小时的器件可靠性测试，包括加速和应用中硬开关测试。可靠性测试是在最大功率、电压和温度环境下的高度加速开关条件下进行的。

4.结论

开关电源的设计人员不断尝试在提高效率的同时提高功率密度。虽然硅 MOSFET 和 IGBT 提供低功率密度和效率，但碳化硅 (SiC) 器件以更高的成本促进更高的功率密度和效率。

GaN 器件使解决方案的功率密度是同类最佳超级结 FET 的两倍。同样，它们促进了对 80 Plus Titanium 等标准的认证，这些标准要求服务器和电信应用中的电源具有非常高的效率。

虽然 GaN 是一项颠覆性的电力电子技术，但它也需要彻底的工艺和材料工程。这需要生长高质量的 GaN 晶体、优化介电薄膜并在制造过程中实现非常干净的界面。精湛的测试和包装也是必须的。