【導讀】如今，以GaN和SiC為代表的第三代半導體技術風頭正勁。與傳統的半導體材料相比，GaN和SiC禁帶寬度大、擊穿電場強度高、電子遷移率高
、熱導電率大、介電常數小
、抗輻射能力強……因此可實現更高的功率密度、更高的電壓驅動能力、更快的開關頻率、更高的效率
、更佳的熱性能、更小的尺寸，在高溫
、高頻、高功率、高輻射等功率電子應用領域
，不斷在向傳統的矽基IGBT和MOSFET器件發起強勁的衝擊。

在這個第三代半導體技術的熱潮之中，GaN相較於SiC，表現出了更高的成長性。根據Yole Development公司的預測，全球GaN功率器件市場規模將從2020年的4,600萬美元，快速攀升至2026年的11億美元
，平均年複合成長率高達70％！

之所以會獲得如此高的加速度，從2020年起GaN器件向智能手機快速充電器市場的成功滲透
，功不可沒。不過除此之外，GaN器件自身那些頗“招人喜歡”的特質，才是更根本的原因。

GaN的優勢

由於特性的不同，GaN和SiC在功率電子領域有著明顯的應用市場區隔：SiC器件可以提供高達1,200V的電壓等級，並具有高載流能力，因此在汽車和機車牽引逆變器、高功率太陽能發電站和大型三相電網轉換器等應用上優勢明顯；而GaN器件的電壓等級通常為600V左右，但具有更高的開關品質、支持更高的開關頻率
，可謂是10kW以下應用的理想之選

，因此應用領域廣泛，涵蓋消費電子
、通信和工業交直流電源、電動汽車車載充電器、電源適配器、伺服驅動功率級等產品。

在10kW以下的市場

，盡管SiC器件也有所涉獵，但是相較而言GaN在以下三個方麵的優勢更為突出。

首先，GaN FET采用的橫向結構內沒有PN結，因此也就沒有體二極管和與其相關的反向恢複過程；而SiC FET中存在體二極管
，開關時需要一個反向恢複過程
，這就會帶來額外的反向恢複損耗和時間，影響開關的功耗和速度。換言之，在10kW以下的應用中，GaN具有更出色的開關品質，可在更高開關頻率下工作

，這也使得采用更小體積的外圍元件成為可能。

圖1：不同功率電子器件的應用領域

（圖源：TI）

其次，SiC器件需要采用更為昂貴的襯底材料以及專用的製造工藝

，這會提高其應用的總體成本；而GaN器件可基於標準的Si襯底製成
，其後繼的降本空間更大。綜合評估，GaN在總體擁有成本上
，隨著時間的推移會更具優勢。

圖2：不同FET技術的成本變化趨勢

（圖源：TI）

再有
，由於GaN器件的製造工藝與傳統的Si半導體工藝兼容性強，這就使得在同一器件封裝中可以做更多的文章
，比如‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍將驅動器和GaN FET集成在一起，以及增加其他更多功能
，這無疑會對提升係統性能、優化設計、降低係統成本大有裨益。

集成驅動器

傳統GaN器件應用係統都是采用分立的GaN FET和驅動器IC組合而成的，這是因為GaN FET和(he)驅(qu)動(dong)器(qi)是(shi)采(cai)用(yong)不(bu)同(tong)工(gong)藝(yi)技(ji)術(shu)製(zhi)造(zao)的(de)
，有(you)的(de)時(shi)候(hou)還(hai)需(xu)要(yao)選(xuan)用(yong)不(bu)同(tong)供(gong)應(ying)商(shang)的(de)器(qi)件(jian)。但(dan)是(shi)這(zhe)種(zhong)分(fen)立(li)的(de)架(jia)構(gou)在(zai)麵(mian)對(dui)高(gao)壓(ya)擺(bai)率(lv)開(kai)關(guan)應(ying)用(yong)時(shi)
，就(jiu)會(hui)遇(yu)到(dao)挑(tiao)戰(zhan)
，原(yuan)因(yin)是(shi)不(bu)同(tong)器(qi)件(jian)封(feng)裝(zhuang)和(he)器(qi)件(jian)之(zhi)間(jian)互(hu)連(lian)的(de)焊(han)線(xian)和(he)引(yin)線(xian)會(hui)帶(dai)來(lai)寄(ji)生(sheng)電(dian)感(gan)
，而(er)這(zhe)些(xie)寄(ji)生(sheng)電(dian)感(gan)會(hui)導(dao)致(zhi)開(kai)關(guan)損(sun)耗(hao)
、振鈴和可靠性等多方麵的問題。

想要消除這些由寄生電感帶來的問題，一個行之有效的解決方案就是：將GaN FET和驅動器集成在一個封裝內，以大地減少寄生電感。

圖3對GaN FET和驅動器分立封裝架構和單一封裝的集方案進行了比較，後者對於整個係統會帶來哪些性能方麵的提升，我們下麵會做進一步的分析。

圖3：GaN FET和驅動器分立架構（a）和集成封裝（b）方案的比較（圖源：TI）

共源電感

由於GaN FET的開關速率很高，這時共源電感這個寄生要素的影響就不得不考慮了。在圖3a中，Lcs就是共源電感
，在傳統的TO-220分立封裝中，GaN FET的源和由焊線流至引線，汲取電流和柵極電流都從這裏流過。當包含焊線和封裝引線的共源電感高於10nH時，就會限製壓擺率，而較低的壓擺率意味著更長的轉換時間
，進而導致更高的交叉傳導損耗

，增加總的開關損耗。

而如果采用圖3b中的集成式封裝
，驅動器的接地直接焊接至GaN FET裸片的源極焊墊，大幅度地縮短了電源環路與柵極環路公用的共源電感路徑，使得GaN器件能夠以更高的電流壓擺率進行開關，降低開關損耗。

柵極環路電感

柵極環路電感包括柵極電感和驅動器接地電感，其對開關性能影響巨大。在GaN FET關閉時，柵極被一個電阻器下拉，這個電阻器阻值要足夠低，才不會在開關期間由於漏極被拉高而重新接通。這個電阻器與GaN器件的柵極電容和柵極環路電感組成了一個L-R-C槽路
，當柵極環路電感值較大時，其品質因數Q會增加
，產生更高的振鈴
，從而顯著增加GaN FET柵極的應力——要知道
，FET柵極上的過應力會對可靠性產生不良影響。

柵zha極ji環huan路lu電dian感gan還hai會hui影ying響xiang到dao關guan斷duan保bao持chi能neng力li。當dang低di管guan器qi件jian的de柵zha極ji保bao持chi在zai關guan閉bi電dian壓ya而er高gao管guan導dao通tong時shi，低di管guan漏lou極ji電dian容rong將jiang一yi個ge大da電dian流liu傳chuan送song至zhi柵zha極ji的de保bao持chi環huan路lu中zhong
，這zhe個ge電dian流liu會hui通tong過guo柵zha極ji環huan路lu電dian感gan將jiang柵zha極jiVGS推tui上shang去qu
，從cong而er增zeng加jia直zhi通tong電dian流liu，而er直zhi通tong電dian流liu的de提ti升sheng會hui導dao致zhi交jiao叉cha傳chuan導dao能neng量liang損sun耗hao的de增zeng加jia。而er且qie你ni會hui發fa現xian
，當dang柵zha極ji環huan路lu電dian感gan較jiao高gao時shi
，減jian少shao柵zha極ji應ying力li和he增zeng強qiang器qi件jian關guan斷duan保bao持chi，兩liang者zhe是shi很hen難nan兼jian得de的de。

GaN FET+驅動器的集成式封裝顯然是減少柵極環路電感的好辦法。從圖3中可以看出，分立架構中（圖3a），柵極電感包括驅動器輸出焊線Ldrv_out

、GaN柵極焊線Lg_gan和PCB跡線Lg_pcb，電感值通常從幾nH到10nH以上；而如果是集成式封裝（圖3b）
，則可以將柵極電感控製在1nH以下，這就為係統性能整體的優化提供了保障。

保護功能支持

為了確保GaN FET安全可靠工作，保護功能必不可少。比如過溫保護可以在感測到溫度超過保護閾值時，將GaN FET關閉。當GaN FET和he驅qu動dong器qi被bei集ji成cheng在zai一yi個ge封feng裝zhuang內nei時shi，由you於yu引yin線xian框kuang架jia具ju有you良liang好hao的de導dao熱re性xing
，也ye就jiu能neng夠gou確que保bao兩liang者zhe的de溫wen度du比bi較jiao接jie近jin，使shi得de過guo熱re保bao護hu設she計ji更geng簡jian捷jie高gao效xiao。

對GaN進行電流保護時，需要GaN器(qi)件(jian)與(yu)驅(qu)動(dong)器(qi)之(zhi)間(jian)具(ju)有(you)低(di)電(dian)感(gan)連(lian)接(jie)
，這(zhe)是(shi)因(yin)為(wei)以(yi)較(jiao)大(da)壓(ya)擺(bai)率(lv)進(jin)行(xing)快(kuai)速(su)開(kai)關(guan)動(dong)作(zuo)時(shi)，互(hu)連(lian)線(xian)路(lu)中(zhong)額(e)外(wai)的(de)電(dian)感(gan)會(hui)導(dao)致(zhi)振(zhen)鈴(ling)
，並(bing)需(xu)要(yao)較(jiao)長(chang)的(de)消(xiao)隱(yin)時(shi)間(jian)來(lai)防(fang)止(zhi)電(dian)流(liu)保(bao)護(hu)失(shi)效(xiao)。而(er)集(ji)成(cheng)式(shi)封(feng)裝(zhuang)方(fang)案(an)正(zheng)好(hao)可(ke)以(yi)減(jian)少(shao)互(hu)連(lian)電(dian)感(gan)，讓(rang)電(dian)流(liu)保(bao)護(hu)電(dian)路(lu)在(zai)需(xu)要(yao)的(de)時(shi)候(hou)盡(jin)可(ke)能(neng)快(kuai)地(di)做(zuo)出(chu)反(fan)應(ying)。

歸納一下，當我們將GaN FET和驅動器集成在單一封裝中之後，可以消除共源電感
，實現高電流壓擺率
；也可以減少柵極環路電感，降低關閉過程中的柵極應力並提升器件的關斷保持能力
；同時，還有助於支持高效可靠的過熱和過流過壓等保護功能的實現，可謂是一舉多得！

TI的GaN功率級

Texas Instruments（TI）的LMG341x係列GaN功率級器件
，就是采用“GaN FET + 驅動器”這種集成化封裝，而且在其中還整合了豐富的保護功能，可讓開發者充分利用GaN器件的優勢
，實現更高功率密度和更高效率的功率電子應用設計。

以該係列產品中的LMG341xR150為例
，與傳統的矽MOSFET相比，其具有超低的輸入和輸出電容值，零反向恢複特性可將開關損耗降低80%，且實現了更低的EMI和開關節點振鈴，這些優勢使其可作為圖騰柱PFC之類的高密度
、高效率拓撲設計的理想解決方案。

圖4：LMG341xR150的係統框圖

（圖源：TI）

由於集成柵極驅動器
，該器件實現了零共源電感，20ns的傳播延遲確保其在MHz級頻率下工作
，在100V/ns開關條件下（用戶可在25V/ns至100V/ns間調節壓擺率）的Vds振鈴幾乎為零，因此LMG341xR150可以作為傳統共源共柵GaN和分立GaN FET架構的替代產品，很大幅度地提高電源性能和可靠性，並大大簡化設計。

圖5：LMG341xR150在100V/ns時的開關性能

（圖源：TI）

LMG341xR150還提供了強大的保護功能
，包括過流保護（響應時間低於100ns，壓擺率抗擾性高於150V/ns）、瞬態過壓抗擾度、過熱保護
，以及針對所有電源軌的UVLO保護，且可提供自監控功能，這就省去外部保護組件，有助於簡化設計的複雜性，降低係統成本。

毋庸置疑。GaN技術的推廣和應用，為功率電子產品的升級提供了巨大的推動力。不過，想讓GaN的優勢特性充分發揮出來，除了在GaN器件本身的“雕琢”上精益求精，也需要充分考慮到整個電源係統的影響因素。事實證明，將驅動器和GaN FET集成在一個封裝中，就是從係統角度進行優化的一個行之有效的方案，可以在提升GaN電源係統性能的同時，也讓整個設計過程更快捷！

如果你在用分立式的GaN器件搭建方案時遇到瓶頸，不妨去嚐試一下LMG341xR150這種“GaN FET + 驅動器 + 保護功能”的集成式解決方案，一定會有不少“驚喜”等著你！

來源：貿澤電子

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