GaN FET在汽車電子高頻變壓器設計實例

當前的消費者對于續航里程、充電時間和性價比等問題越來越關注，為了加快電動汽車（EV）的采用，全球的汽車制造商都迫切需要增加電池容量、縮短充電時間，同時確保汽車尺寸、重量和器件成本保持不變。

電動汽車車載充電器（OBC）正經歷著飛速的發展，它使消費者可以在家中、公共充電樁或商業網點使用交流電源直接為電池充電。為了提高充電速度，OBC功率水平已從3.6kW增加到了22kW，但與此同時，OBC必須安裝在現有機械外殼內并且必須始終隨車攜帶，以免影響行駛里程。OBC功率密度最終將從現在的低于2kW/L增加到高于4kW/L。

開關頻率的影響

OBC本質上是一個開關模式的電源轉換器。它主要由變壓器、電感器、濾波器和電容器等無源器件以及散熱器組成，這些器件構成了其重量和尺寸的大部分。增加開關頻率需要縮小無源器件尺寸。但是，較高的開關頻率會在功率金屬氧化物半導體（MOSFET）和絕緣柵雙極晶體管等開關元件中造成較高的功耗。

縮小尺寸需要進一步降低功率損耗才能保持器件溫度不變，因為縮小尺寸后散熱面積隨之減小。需要同時增加開關頻率和效率才能形成這種更高的功率密度。這帶來了巨大的設計難題，而硅基電源器件很難解決這一難題。

增加開關速度（器件端子之間電壓和電流的變化速度）將從根本上減少開關能量損耗。這一過程必不可少，否則實際的最大頻率將受到限制。在端子之間具有較低寄生電容（在低電感電路布線中精心設計）的電源器件便可以順利實現此目的。

優于硅器件的性能

使用寬帶隙半導體，例如氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）構建的電源器件具有獨特的物理特性，可顯著降低電容，同時確保同等的導通電阻和擊穿電壓。更高的擊穿臨界電場（GaN比硅高10倍）和更高的電子遷移率（GaN比硅高33%）可有效實現更低的導通電阻和更低的電容。這樣一來，GaN和SiC FET與硅相比本身就可以在更高的開關速度下工作，并且損耗更低。

GaN的優勢尤其明顯：

● GaN的低柵極電容可在硬開關期間實現更快的導通和關斷，從而減少了交叉功率損耗。GaN的柵極電荷品質因數為1nC-Ω。

● GaN的低輸出電容可在軟開關期間實現快速的漏源轉換，在低負載（磁化）電流下尤其如此。例如，典型 GaN FET的輸出電荷品質因數為5nC-Ω，而硅器件為25nC-Ω。借助這些器件，設計人員可以使用較小的死區時間和低磁化電流，而它們對于增加頻率和減少循環功率損耗必不可少。

● 與硅和SiC電源MOSFET不同，GaN晶體管結構中本身沒有體二極管，因此沒有反向恢復損耗。這使得圖騰柱無橋功率因數校正等新型高效架構可以在數千瓦時變得可行，這在以前使用硅器件時是無法實現的。

所有這些優點使設計人員能夠使用GaN在更高的開關頻率下實現高效率，如圖1所示。額定電壓為650V的GaN FET可支持最高10kW的應用，例如服務器交流/直流電源、電動汽車高壓直流/直流轉換器和OBC（并聯堆疊可達到22kW）。SiC器件最高可提供1.2kV的電壓，并具有高載流能力，非常適合用于電動汽車牽引逆變器和大型三相電網逆變器。

圖 1：GaN在支持超高頻應用方面優于所有技術

高頻設計挑戰

在開關頻率達到數百伏特時，需要對典型的10ns上升和下降時間進行精心設計，以避免寄生電感效應。FET和驅動器之間的共源電感和柵極回路電感具有以下關鍵影響：

● 共源電感限制漏源瞬態電壓（dV/dt）和瞬態電流（dI/dt），從而降低開關速度，增加硬開關期間的重疊損耗和軟開關期間的轉換時間。

● 柵極回路電感限制柵極電流dI/dt，從而降低開關速度，增加硬開關期間的重疊損耗。其他負面影響包括增加對米勒導通效應的易感性，形成額外功率損耗風險，增加更大程度減小柵極絕緣體電壓過應力的設計難題，如果不適當緩解過應力，則會降低可靠性。

這樣一來，工程師可能需要使用鐵氧體磁珠和阻尼電阻，但是這些會降低開關速度并與增加頻率的目標背道而馳。盡管GaN和SiC器件本身就適用于進行高頻工作，但要充分發揮它們的優勢仍需要克服系統級設計難題。如果能夠獲得設計精良的產品，而該產品兼顧了易用性、穩定性和設計靈活性的話，則可以加快對該技術的應用。

具有集成式驅動器、保護和功耗管理功能的GaN FET

德州儀器（TI）的650V完全集成式汽車類GaN FET具有GaN的高效、高頻開關優勢，且沒有相關的設計和器件選擇缺陷。GaN FET和驅動器緊密集成在低電感四方扁平無引線（QFN）封裝中，大大降低了寄生柵極回路電感，讓設計人員無需擔憂柵極過應力和寄生米勒導通效應，并且共源電感非常低，可實現快速開關，減少損耗。

LMG3522R030-Q1 與 C2000? 實時微控制器中的高級控制功能（如 TMS320F2838x 或 TMS320F28004x相結合，可在功率轉換器中實現高于1MHz的開關頻率，與現有的硅和SiC解決方案相比，其磁體尺寸減小了59％。

與分立式FET相比，演示中大于100V/ns 的漏源壓擺率可降低67%的開關損耗，而其可調節性介于 30-150V/ns之間，可權衡效率與電磁干擾，從而降低下游產品設計風險。集成式電流保護功能確保了穩健性，并增加了許多新功能，包括用于管理有源功率的數字脈寬調制溫度報告、運行狀況監測和理想二極管模式（如 LMG3525R030-Q1 所提供），讓設計人員無需實施自適應死區時間控制。12mm×12mm的頂部冷卻QFN封裝還可以增強散熱管理。

TI GaN器件通過了4，000多萬小時的器件可靠性測試，并且10年壽命的故障率小于1，可滿足汽車制造商所期望的耐用性。TI GaN在普遍可用的硅基板上構建，并使用所有內部制造設施的現有工藝節點制造，與基于SiC或藍寶石基板的其他技術不同，它具有確定的供應鏈和成本優勢。
編輯：hfy