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虽然硅是广为人知的半导体材料，但新的宽禁带（WBG）材料正越来越多地进入应用领域。其中一个例子是氮化镓（GaN），它已在高频RF（射频）系统中被使用多年，并且已经被应用于中高压电源开关解决方案。

最近，GaN成为电力电子中开关晶体管的热门选择。图1显示了宽禁带（WBG）技术将成为首选组件的领域。GaN晶体管品质因素（FOM）使电源能够提供更好的效率、更高的开关频率、更高的功率密度以及更好的鲁棒性。

本文将为大家讲解：

根据应用的不同，我们还讨论了高、中、低功率GaN产品选项，以及它们不同的灵活性和集成度。最后，工程师还可以在英飞凌提供的评估板上，快捷便利地测试和评估GaN的性能，有助于缩短设计时间。

图1 英飞凌对于宽禁带和硅电源开关的定位

相较于硅，GaN高电子迁移率晶体管（HEMT）在功率器件方面具有一些关键优势。

GaN-HEMT FoM的特点包括：

上述特点使得GaN HEMT成为高速开关的最佳选择，由于所需外部电感或电容的尺寸减小，能够节省体积并降低系统总成本。更高的工作频率，提高了功率密度和整体系统效率。在高达1 MHz的高频操作中，开关速度对于确定能量如何传输至关重要。英飞凌CoolGaN™的超快切换速度，可以令死区时间非常短，从而提高效率。

GaN功率晶体管最重要和最显著的特征之一，是其“反向恢复”性能。由于英飞凌的CoolGaN™ 晶体管没有少数载流子和体二极管，没有反向恢复。因此在大多数已知的硬开关，如图腾柱（半桥）拓扑中不会产生功率损耗，这有助于最大限度地提高效率。

与MOSFET相比，GaN宽禁带（WBG）材料的第二个最显著特征，是GaN不像MOSFET那样具有硬击穿电压。600 V/650 V GaN HEMT能够承受750 V以上的较大瞬态（短期）过电压，并且不会像MOSFET那样出现雪崩突破，从而导致立即的电应力过大（EOS）。这是使它们比其硅器件更可靠的原因之一。在数据表中，测试设备已通过750V短瞬态脉冲超过1000万次的认证。

此外，GaN HEMT WBG的可靠性认证是根据最新发布的JEDEC标准：JEP180（方法和程序）、JEP173（GaN动态导通电阻测试方法）和JEP182（GaN寿命和连续开关测试方法）。

图2显示了GaN HEMT（如英飞凌的CoolGaN™）是如何工作的，在源极和漏极之间有一个横向导电沟道，与传统硅MOSFET的垂直沟道相反。通过横向集成，由于单片集成能力，未来的GaN HEMT集成功率级（IPS）将具有更高的智能功能。此外，与传统MOSFET相比，GaN材料的背面位于源（地）上，这具有降低寄生封装电容（C_pk）、简化封装集成的优点，并且在某些情况下，它消除了传统MOSFET散热片的隔离导热材料。

图2 平面电源开关技术

CoolGaN™ HEMT具有非常坚固的“p栅”结构，通过消除额外的两个箝位二极管（通常出现在经典肖特基栅输入中），节省了材料清单（BOM）成本。使用带有三个分立R_g、R_SS、C_ON（RRC，见图3）的经典栅极驱动器，输入仍然非常简单。经典的栅极电阻器R_g用于转换速率控制（dV/dt），稳态电阻器RSS用于在5 mA至25 mA正向电流下保持通道打开，C_ON电容用于快速负关断脉冲和安全关断，因为低V_th GaN HEMT没有任何再通电风险

对于大功率SMPS（远远大于1-2 kW），在使用最低R_DS(ON)和最低R_th分立GaN功率封装的情况下，建议使用英飞凌的EiceDRIVER™系列驱动器。专用的功能和加强绝缘隔离GaN EiceDRIVER™ （1EDF56xx）具有快速、高精度、稳定的定时和高共模鲁棒性（大于150 V/ns）的优点。

英飞凌CoolGaN™是一种成熟、可靠、高性能的分立产品技术。英飞凌近期发布了集成功率级（IPS）产品 CoolGaN™ IPS 系列产品，是全新的具有单通道和半桥架构的产品系列。

图3简述了使用GaN的不同分立和集成系统解决方案。它显示了功率集成的不同增长水平，以及在不同封装集成密度下多个功能的可用性。第一行显示控制器和分立开关器件，以及合适的无源器件。第二和第三阶段展示了添加合适的GaN隔离驱动器，并在此基础上进行“驱动器+GaN开关器件”的集成。第三行和第四行显示了一个真正的IPS系统解决方案，从简单易用的IPS（包括栅极驱动器）开始，到包含特定拓扑控制器的特定应用集成系统解决方案。

图3 从灵活的分立到特定于应用的IPS系统解决方案

为什么集成的意义重大？CoolGaN™ IPS技术结合了一个或多个CoolGaN™ 加专用EiceDRIVER™ 栅极驱动器的常闭GaN开关。这些部件集成到单个QFN封装中，节省了PCB空间，有助于实现小尺寸设计并降低总体成本。集成使设计更快更容易，从而缩短产品上市时间。

让我们以CoolGaN™ IPS半桥600 V为例：它结合了一个半桥功率级，由两个600 V CoolGaN™开关组成，带有专用的栅极驱动器和适当的隔离，在一个紧凑的8x8 mm² QFN-28封装中（见图4）。

图4（a）半桥CoolGaN™ IPS框图

图4（b）8x8 mm2 QFN封装

CoolGaN™ IPS系列包括单通道和双通道器件上的功能隔离PWM输入。单通道器件的目标功率级为从100 W到约1 kW的SMPS。双通道半桥器件针对高功率密度USB充电器/适配器应用。

每种产品都经过优化以获得更高的效率和功率密度，同时尽可能简单地添加到产品设计中。例如，电源孤岛PCB设计技术可将对数字电源域的干扰降至最低。同样，真正的电流隔离栅极驱动器将电磁干扰（EMI）保持在尽可能低的水平，以实现稳健的运行。

对于设计工程师来说，CoolGaN™ IPS的集成提供了鲁棒性、计时准确性和便捷性，并消除了选择栅极驱动器所需的时间和精力。设计他们的系统尽可能简单：实际上，只需要提供适当的数字PWM输入，就能输出功率。

物料清单（BOM）中的元件数量减少，因为不需要额外的隔离器IC来驱动引导带高压侧。此外，封装内部和PCB上的开关节点寄生电感很小。

低功耗USB-PD充电器和适配器市场是电源最重要的消费市场之一。这些年来，智能手机附带的充电器越来越小，越来越轻。它们可以从相同大小的设备提供更多的电源，以便更快地为一个或多个设备充电。市场上采用的其他解决方案包括液晶电视电源、电机驱动和照明。高功率密度和更高的功率转换效率在这些市场中占主导地位。

如何提高性能和缩小尺寸？这些是CoolGaN™ IPS等集成解决方案的理想市场。对于价格敏感的消费者来说，必须将系统成本降至最低，而实现尽可能最小的充电器是产品供应商的竞争优势。此外，还需要浪涌稳健性、安全隔离以及CE（EMI）和USB兼容性。

对于高密度、通用、USB连接的充电器/适配器，IGI60F1414A1L CoolGaN™ IPS可用于有源箝位反激（ACF）或不对称谐振半桥（AHB）拓扑。IGI60F1414A1L采用单个8x8 mm²封装，与分立元件相比，显著减少了所需的PCB空间。

在软开关中运行时，在两种拓扑中，漏感能量都被回收，这使它们的效率比单开关拓扑提高1%或更多。1%听起来可能没那么多，但对于这种应用来说，这是一个巨大的提升。实际上，CoolGaN™ IPS可以在75W及以下的设计中，实现约95%的效率。超过75 W，该效率数字通常会略微下降至约93%。

围绕集成，英飞凌持续为USB-PD充电器系统解决方案提供完整的产品组合，包括CoolMOS™ 和CoolGaN™ 电源开关，以及独立的EZ-PD™ USB协议控制器。

图5 充电器/适配器应用的趋势

对于中低功率市场，CoolGaN™ IPS具有独特优势。当需要更高功率时，分立功率级（DPS）通常提供最佳解决方案，例如，超薄OLED电视、家用电器以及大功率工业、数据中心和电信应用。

英飞凌提供评估板EVAL_HB_GANIPS_G1（见图6），可以轻松快速地设置和测试CoolGaN™ IPS半桥，从而帮助设计师使用CoolGaN™ IPS。

通过使用外部电感器，设计人员可以配置评估板的半桥拓扑结构，用于升压或降压操作、脉冲测试，或功率高达100W、频率高达1MHz的连续满功率操作。该板提供对CoolGaN™ IPS逻辑输入的直接链接芯片组，用于通过外部微控制器或数字信号处理器驱动芯片组。

评估板意味着用户无需设计自己的栅极驱动器和电源电路来评估GaN器件，从而节省宝贵的时间。

图6 HB\U GANIPS\U G1评估板

图7显示了使用评估板进行双脉冲测试的典型应用示例。5 V电源提供电路电源，为IPS逻辑和隔离门驱动器电源供电。直流母线电压由0-400 V电源提供，输入脉冲宽度调制（PWM）信号由实验室脉冲发生器提供。需要一个测试电感器从直流母线连接到开关节点输出，然后可以使用示波器观察和测量电感器电流、开关节点电压或电路板上的任何其他信号。

图7 评估板的典型应用示例（双脉冲测试）

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