通過集成驅動器和高級保護功能簡化GaN電源設計

高效率和高功率密度是為當今產品設計電源時的關鍵特性。為了實現這些目標，開發人員正在轉向氮化鎵 （GaN），這是一種可實現高開關頻率的寬帶隙半導體技術。與競爭對手的功率半導體技術相比，GaN 最大限度地減少了所需無源元件的尺寸，同時降低了柵極驅動和反向恢復損耗。

此外，半導體制造商正在將其 GaN 器件封裝在高度集成的行業標準封裝中，從而縮小印刷電路板 （PCB） 的占地面積要求，同時簡化供應鏈。

GaN 應用

在 650 V AC-DC 轉換領域，變壓器外形無鉛 （TOLL） 封裝是電源設計的有效選擇。采用此封裝的器件可以集成 GaN 場效應晶體管 （FET） 以及柵極驅動器以及過流、過熱和短路保護電路，以最大限度地提高效率和可靠性。這些器件可以在圖騰柱功率因數校正 （PFC）、電感電容、相移全橋和雙有源橋電路拓撲中工作。

圖 1 說明了集成柵極驅動器電路的優勢。圖 1a 顯示了一個單獨的柵極驅動器和 GaN 開關。右側的等效電路顯示了柵極抑制回路中的許多寄生元件，包括驅動器輸出電感 （Ldrv_out）、PCB 電感 （Lg_pcb） 和功率器件柵極電感 （Lg_gan）。圖 1b 顯示了左側的集成器件，電路模型（右）顯示寄生效應降低到可以忽略不計的水平。

圖1. 分立驅動器和開關配置 （a） 引入了寄生效應，在集成配置 （b） 中，寄生效應減少到可以忽略不計的數量。

具有集成驅動器和保護電路的 TOLL 器件可以服務于各種應用，包括超大規模計算數據中心中使用的電源單元 （PSU），它們可以將交流電轉換為直流總線。在此類應用中，提高功率密度至關重要，因為設備功率要求不斷增加，而 PSU 外形尺寸保持不變。

TOLL 器件可用于 PSU 的 PFC 和 DC-DC 轉換器級。德州儀器 （TI） 表示，其 GaN TOLL 器件能夠在 PFC 級實現超過 99% 的效率，在 DC-DC 級實現優于 98% 的效率。

其他應用也可以使用 TOLL GaN 器件，包括大屏幕電視和電動汽車 （EV） 車載充電器。對于電視，集成的 TOLL GaN 器件使設計人員能夠將電源電路（包括無源元件）安裝在薄型內，同時提高功率密度。對于 EV，TOLL 器件支持車載充電電路，以實現高效率，同時安裝在車輛底盤內。對于這兩種情況，TOLL 器件可以同時實現 PFC 和 DC-DC 級。

另一個應用是雙向光伏逆變器。它在一個方向上工作，可以將太陽能電池板的直流輸出反轉為交流電網電壓，而在另一個方向工作時，它能夠使用交流電網的電力為備用電池充電。如圖 2 所示，TOLL 器件既可用于圖騰柱 PFC/逆變器級，也可用于雙向 DC-DC 轉換器級。

圖2. 這種微型逆變器設計采用 TOLL GaN 器件將太陽能電池板的輸出反轉為交流電或轉換交流電壓為備用電池充電。TOLL 設備詳細信息

TI 的 LMG3650R035 650V GaN FET 就是其中一種適合此類應用的器件，其導通電阻RDS（on） 為 35mΩ，最大漏極電流為 20A。為了最大限度地減少物料清單 （BOM） 數量和 PCB 空間，該器件采用 9.8 × 11.6 mm 的 TOLL 封裝，集成了柵極驅動器電路和高級保護功能（圖 3）。

圖3. LMG3650R035集成了柵極驅動器和保護功能。

集成柵極驅動器支持可調節的柵極驅動強度，以允許獨立控制導通和關斷轉換速率。導通速率范圍為 10 至 100 V/ns，關斷速率范圍為 10 V/ns 至基于負載電流幅度的最大值。獨立調整有助于優化開關性能，同時最大限度地減少電磁干擾 （EMI）。

該器件通過感應連接到其驅動強度選擇引腳的外部電阻-電容器網絡來確定啟動時的編程轉換速率。啟動后，該引腳承擔故障監控的角色。

該柵極驅動器還集成了欠壓鎖定 （UVLO） 功能以及過壓和過熱保護功能。最重要的是，它包括逐周期的過流保護 （OCP） 功能和在 300 ns 內響應的鎖存短路保護 （SCP） 功能。該器件在開關時可承受 720V 浪涌。

該器件的版本具有零電壓檢測 （ZVD） 功能、零電流檢測 （ZCD） 功能或可為外部隔離器供電的 5V 低壓差 （LDO） 穩壓器輸出。不同的版本將接地、5 V 輸出、ZVD 信號或 ZCD 信號分配給圖 3 框圖左下角所示的引腳。

評估模塊

為了幫助您開始基于 LMG3650R035 的設計，TI 提供了 LMG3650EVM-114 評估模塊，這是一個子卡，可以作為更大的定制設計系統的一部分，也可以與 TI GaN 主板配對。可用的主板包括 LMG342X-BB-EVM，這是一款可支持高達 4 kW 的 DC-DC 降壓-升壓轉換器，以及 PFC23338EVM-107，這是一種可支持高達 3.6 kW 的 AC-DC 圖騰柱 PFC 級。

LMG3650EVM-114 卡本身包括兩個采用半橋配置的 LMG3650R035 GaN IC、兩個用于 GaN IC 故障信號的數字隔離器以及隔離的偏置和自舉電源。該卡還集成了兩個隔離式柵極驅動器，以實現與 TOLL 封裝的分立 GaN 器件的布局兼容性（圖 4）。

圖4. LMG3650EVM-114 卡將兩個 LMG3650R035 個 GaN IC 組合在一個半橋配置中，并帶有外圍電路。

對于基于該卡的設計測試，TI 建議使用 520V 直流電壓電源、12V、1.5A 直流偏置源、可產生 0 至 5V 方波且占空比可調的函數發生器、1GHz 示波器、直流萬用表以及能夠在高達 650V 或 20A 下運行的直流負載。

結論

GaN 技術在從大屏幕電視到光伏可再生能源系統的各種應用中的功率轉換方面表現出色。將 GaN FET 與柵極驅動器和保護電路集成在 TOLL 封裝中，有助于提高可靠性和功率密度。除了 GaN 產品組合外，TI 還提供評估模塊，可幫助您開始基于 TOLL 產品的設計。