GaN FET重新定义电源电路设计

电源

硅MOSFET功率晶体管多年来一直是电源设计的支柱。虽然它们仍然被广泛使用，但是在一些新设计中，氮化镓（GaN）晶体管正在逐渐替代MOSFET。GaN技术的最新发展，以及改进的GaN器件和驱动器电路的可用性，有更多的设计者关注GaN选项。GaN比传统MOSFET具有更明显的优势，例如更高的开关速度和更高的效率。

GaN器件

GaN功率晶体管已经存在了好几年了。早期器件是在昂贵的衬底上制成的，例如蓝宝石或碳化硅（SiC）。主要应用是用于高频的RF功率放大器。由于它们的高电子迁移率和高电压容限，这些器件可以在千兆赫兹范围内产生数百瓦的功率。

这种晶体管称为高电子迁移率晶体管（HEMT）或伪晶HEMT （pHEMT）。HEMT是一种使用不同材料用于栅极和沟道的金属 - 半导体结FET的形式。这些是“耗尽型”的FET，这意味着它们与增强型自然“关闭”MOSFET不同，是自然而然的。HEMT FET需要临界偏置网络才能正常工作。

这种电力系统配置通常用于数据中心。

更新的发展是增强型GaN FET或eGaN。这是绝缘门品种。像所有的GaN器件一样，它们提供了更高速度的切换，更高的电压操作和改善散热的好处。虽然增强型GaN器件仍然比硅MOSFET更昂贵，但它们更适合于电源设计，并提供了大大提高性能和效率的设计路径。

高压设计案例

开关电源（SMPS）设计是提高效率和节约能源的答案。大多数新设计都采用SMPS技术，包括稳压器，直流 - 直流转换器，负载点（POL）转换器和逆变器。然而，甚至可以改善SMPS设计。高压设计案例

已经表明，设计中的每个功率转换阶段的效率都下降了。将高线路电压转换为处理器和FPGA的低直流电源通常需要多级直流 - 直流转换和调节。如果高压设备可用于进行转换，则可以减少转换次数。GaN器件提供了这种潜力。

一个例子是数据中心电源系统。数据中心包含许多需要高电流低电压的高功率服务器。电力是昂贵的，但所需的冷却也是如此。电力转换路径的任何节省都是值得的。图1显示了具有120或240 V交流输入的典型电源。

电力公司需要功率因数校正（PFC）级。这通常是一个直流输出为380 V的升压转换器。它被传递到一个电感 - 电感 - 电容（LLC）级，提供一个36到60 V的直流输出。这是由dc-dc转换器进一步降压，然后到处理器，存储器和FPGA提供1到1.8 V dc的POL转换器。每个阶段都会对效率产生影响。

这里，通过实现不同的电路拓扑和较少的阶段来提高电力系统的效率。

图2显示了这个问题的解决方案。PFC级拓扑结构随着可以在更高电压和更高速度下工作的GaN晶体管而改变。较高的开关频率意味着任何磁性器件可以小得多，效率更高。使用GaN的LLC阶段利用高于1MHz的开关频率将转换成36至60V的输出。典型的输出是POL转换器的48V，这也正在利用GaN。整体设计不仅规模小，而且效率也更高。

另一个应用涉及太阳能逆变器。太阳能电池板通常驱动一个直流 - 直流升压转换器。该转换器依次操作提供与负载和电网相关的120/240-V交流60Hz的直流交流逆变器。一些系统可能包括电池存储。在两级使用GaN和超过100 kHz的开关频率极大地提高了当前设计的效率。

除了dc-dc转换器，POL转换器和逆变器之外，其他GaN应用包括电机驱动器和D类大功率音频放大器。

突破性产品

使用eGaN FET器件的设计可能是主要由于棘手的栅极驱动电路而具有挑战性的。除了向GaN功率FET提供正确的栅极驱动电压之外，电路还必须为过压驱动或欠压条件提供保护。

3.具有两个GaN FET的LMG5200混合多芯片模块有助于防止过压和欠压。

解决问题的一个设备是德州仪器的LMG5200。该混合多芯片模块（MCM）包含两个具有集成驱动器的半桥配置的80V，10-A GaN FET。功能框图如图3所示。请注意欠压锁定（UVLO）保护，如果输入电源电压过低，则可防止FET部分导通。钳位还防止高侧栅极驱动器超过FET的最大栅极电压。

LMG5200的特点包括15mΩ导通电阻GaN FET，80 V连续或100 V脉冲额定值，能够高达10 MHz开关的栅极驱动器，TTL输入，10 ns最小PWM宽度和29.5 ns传播延迟。该器件采用6×8×2 mm，9引脚QFN封装。当与ti的TPS53632G控制器配合使用时，LMG5200可在POL中直接从48 V转换为0.5-1.8 V。提供评估模块。