GaN这只“螃蟹''，TI教你怎么吃！

 

在功率器件领域，基于硅的MOSFET器件无疑是最成功的存在，通过在通导电阻R_DS(ON)、额定电压、开关速度、封装等方面不断的优化和进步，硅MOSFET一直在突破人们传统认知的“极限”，目前在从几十瓦到高至上千瓦的应用中，都能够看到其身影。但是随着市场的发展，对功率器件的要求越来越高，想跟上这个节奏，总是靠在原有硅器件设计和工艺基础上“打补丁”已经是不行了，因为硅材料的性能已经接近其物理极限，所以人们必须从最根本的材料上寻找突破口。

 

 

 

 

GaN的性能优势

 

 

 

GaN（氮化镓）被认为是最有希望成为下一代电源器件的继任者之一。作为第三代宽带隙半导体材料中的代表，GaN器件与硅器件相比，有无法比拟的优势，总的来说可以用“四高一低”来归纳：

 

1

高电压

由于 GaN 的带隙较大，具有较高的击穿电场，因此GaN器件的工作电压可远远高于基于其他半导体材料的器件。

 

2

高功率

GaN上的电子具有很高的饱和速度，即在极高电场下的电子速度，当结合大电荷能力时，GaN器件能够提供更高的电流密度。工作电压高，电流密度大，这也就意味着GaN器件可支持更高的功率。

 

3

高可靠

由于带隙大、导热率高，GaN器件能够承载更高的功率密度，器件的可靠性更高。

 

4

高频率

GaN器件具有极快的开关速度和优异的反向恢复性能，电压可以在纳秒内上升到几百伏，支持几MHz（甚至几百MHz）的大电流转换。

 

5

低功耗

GaN的导通电阻非常低，可显著降低静态功耗，同时在降低开关损耗方面表现也很突出，因此效率大为提升，这对于减少整个电源系统的体积也大有裨益。

 

表1：不同半导体材料之间的特性比较

 

除了上述这些特性优势，还有两个因素在为GaN的商用提供助力：一是GaN具有较强的成本优化的潜力，如果以Si为衬底替代价格昂贵的SiC衬底，有望让GaN器件的价格进一步与硅器件看齐；二是GaN器件的工艺与传统的Si半导体工艺兼容性强，这让在同一封装中集成更多的功能成为可能，如将驱动IC和GaN开关管集成在一起，这会在简化设计、降低成本方面为用户带来新的价值。

 

 

 

 

GaN应用开发的挑战

 

 

 

也正是因为如此，这些年GaN越来越成为电源电子领域的宠儿，特别是在600V/3KW 以下的应用场景中，其优势更为突出。根据Yole的预计，2024年GaN电源市场产值将超过3.5亿美元，年复合成长率高达85%。

 

不过，在这个高速成长的过程中，仍然有一些拦路虎，以前习惯了使用硅器件的开发者，想要“抢鲜”尝一尝GaN这只“螃蟹”，还是需要一些勇气和准备的。

 

成本仍然是影响GaN商用的一个重要因素，毕竟经过多年的发展，硅器件在成本挖潜方面可以说已经做到了极致。

 

另一个方面，GaN在应用开发上对外围支持元器件有更高的要求，比如说GaN的开关驱动器，就必须能够以足够高的速度对GaN开关管栅极上的电容进行充电和放电，使其开启和关闭，同时不会引起振铃和过冲。这对于相关元器件的性能和开发者的设计技能都会提出挑战。

 

 

 

 

TI 的创新方案

 

 

 

应对这些挑战，就需要有可供使用、新的开发“利器”。为了能够让越来越多的电源工程师有机会享用到GaN的“美味”，各个GaN器件供应商可以说是操碎了心，也在不断推出创新性的产品。今天我们就来向大家推荐一款来自TI（Texas Instruments）的功率级器件——LMG341xR050。

 

图1：LMG341xR050 GaN功率级简化框图

（图源：TI）

 

LMG341xR050 GaN功率级具有集成驱动器和保护功能，可让设计人员在电力电子系统中实现更高水平的功率密度和效率。具体来讲，LMG341xR050的突出性能优势包括三个方面：

 

首先，LMG341xR050包括一个高性能的600V GaN晶体管，充分发挥了GaN器件的优势，具有低输入和输出电容值、可将开关损耗降低80% 的零反向恢复特性，这些优势能够很好地支持诸如图腾柱PFC之类的高功率密度、高效率的拓扑。

 

图2：LMG341xR050高于100V/ns时的开关性能

（图源：TI）

 

其次，也是很重要的一点，LMG341xR050采用了一个Direct-Drive的架构，集成了栅极驱动器——这也是充分利用了上文提到的GaN工艺与传统的Si半导体工艺兼容的特点——它可以对内部的GaN FET直接控制，与传统的共源共栅架构（cascode）方案相比，在开关特性上有了明显的提升，支持 100V/ns 开关，MHz运行传播延迟为20ns，同时V_ds振铃几乎为零。这个集成栅极驱动器的其他特性还包括：经调整的栅极偏置电压，可补偿阈值变化，确保可靠开关；25V/ns至100V/ns的用户可调节压摆率等。

 

再有，LMG341xR050还集成了完备而强健的保护功能，省去了外围的保护元器件。这些集成的保护功能包括：

• 过流保护，防止意外击穿。响应小于100ns（LMG3410R050支持锁存过流保护，LMG3411R050支持逐周期过流保护）

• 压摆率抗扰性：>150V/ns

• 瞬态过压抗扰度

• 过温保护，防止热失控

• 针对所有电源轨上欠压闭锁 (UVLO) 保护

 

图3：LMG341xR050 GaN功率级功能框图

（图源：TI）

 

简而言之，通过在单一器件内，集成高性能的GaN FET、独特的栅极驱动器，以及完备的保护功能，使LMG341xR050可以替代传统共源共栅GaN和独立GaN FET，让开发者可以更便捷、更快速地将GaN技术引入到新的设计中。

 

可以说，TI是希望尽可能将自己完整的GaN技术积淀和生态都集成在这款器件中。所以，想吃GaN这只“螃蟹”，TI的这款LMG341xR050功率级别千万错过！

 

 

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