设计基于 GaN 的电源系统的更简单方法：比较市场上的集成驱动器产品

来源：富昌电子
作者：Vito Prezioso  电源专家现场应用工程师，富昌电子（北欧）

氮化镓 (GaN) 高电子迁移率晶体管 (HEMT) 为电源系统设计人员提供了一个令人兴奋的新选择。与硅 MOSFET 相比，GaN HEMT 使他们能够显著降低开关损耗并提高电源效率，并支持更高的开关频率，从而减小系统尺寸和重量。

但卓越的性能并非没有代价：GaN HEMT 比硅 MOSFET 更难驱动。硅 MOSFET 需要一个简单的 +10 V 驱动电压，并且可以处理高达 20 V 的瞬变而没有损坏的风险，而 GaN HEMT 通常仅能接受 +6 V 的最大栅极驱动电压，并指定+5 V 的最佳栅极驱动电压。关断条件也必须仔细管理，一些 HEMT 需要负驱动电压以保证器件不会意外导通。因此，GaN HEMT 需要比硅 MOSFET 更严格地控制栅极驱动器的操作。

这使得结合了 HEMT 和栅极驱动器的集成系统级封装 (SiP) 极具吸引力：HEMT 制造商可以为 HEMT 选择最佳驱动器。在集成 SiP 中，制造商还将实施优化的栅极驱动电路。这种优化电路的主要好处是性能和可靠性不受寄生电感的影响，而寄生电感是用分立元件构建的电路容易产生的。

图 1 显示了寄生电感发生的位置：

· LS1 是栅极走线引起的寄生电感，栅极走线通过电阻将栅极驱动器的驱动引脚连接到晶体管的栅极
· LS3 是反馈回路产生的电感，反馈回路将晶体管的源极引脚连接到栅极驱动器的 COM 引脚
· LS2 是源极支路的杂散电感，它也会影响电源环路


图 1：显示寄生电感来源的简化栅极驱动器电路

寄生电感与快速开关转换时的米勒电容相结合，会在栅极处引起振铃和过冲或下冲电压尖峰。在最好的情况下，这只会产生 EMI 并降低效率；在最坏的情况下，它实际上会损坏晶体管。

一般来说，走线越宽、栅极驱动回路越短越好。通过将驱动器和晶体管组合在一个封装中，栅-源回路保持非常短，从而导致寄生电感大大低于具有分立 HEMT 和驱动器的电路。

事实上，最好的集成器件在栅极驱动环路中具有极低的杂散电感。这几乎消除了栅-源电压振铃，并具有以下效果：

· 降低栅极结构的应力，从而提高 HEMT 的可靠性
· 降低驱动器输出端的阻尼电阻。可实现更快的开关，从而降低开关损耗。

集成器件还在电源环路中提供较低的杂散电感，从而大大减少漏-源电压尖峰。从而实现：

· 更低的开关损耗
· 低 EMI
· 更低的漏-源电压应力，更高的可靠性

最重要的是，集成器件减少了元器件数量和电路板占用空间。设计人员目前在市场上可以找到的一些 650 V、150 mΩ HEMT 的封装尺寸为 8 mm x 8 mm。在应用中，它们需要分立式栅极驱动器和栅极驱动电阻器。相比之下，英飞凌的 IGI60F1414A1L 这款 CoolGaN™ 集成功率级 (IPS) 器件结合了半桥功率级，该功率级由两个 600 V/140 mΩ 增强型 GaN 开关和专用栅极驱动器组成，采用散热增强型 8 mm x 8 mm QFN-28 封装。

不同的产品针对不同的设计要求

这些优势，包括更容易的设计实施、更低的寄生电感和更小的电路板占用空间，促使所有主要的 GaN HEMT 制造商在提供分立式 HEMT 和 GaN 驱动器的同时开始构建集成器件产品组合。

但某些折衷与集成器件的使用有关。首先是客户的生产与制造商和器件的联系更加紧密：与在许多情况下具有行业标准封装的分立 HEMT 和分立驱动器不同，集成驱动器可能具有更少的引脚或封装兼容的替代产品。

除此之外，集成还要求制造商决定如何折衷并满足不同类型应用的需求。这意味着当今市场上的集成 GaN 产品之间存在重要差异。

市场上产品差异最明显的是：

· 是否针对特定拓扑进行了优化
· 器件是否提供调整操作的方法，以牺牲效率为代价将电磁辐射降至最低
· 除了驱动器和 HEMT 之外，器件中集成的附加功能

特定拓扑的集成式 GaN 产品

随着 MasterGaN 系列的推出，意法半导体在集成 GaN 产品市场上占据了独特的一席之地。这是因为这些 GaN SiP 率先采用对称或非对称配置的集成半桥，并搭配优化的 600 V 半桥驱动器。

意法半导体创建了一个由五个系列组成的 MasterGaN 产品系列，以满足大多数客户使用的各种拓扑及其应用所需的额定功率范围。因此，如图 2 所示，MasterGaN2 和 MasterGaN3 产品仅用于有源钳位反激式转换器，因为这种拓扑结构要求低边的导通电阻低于高边的导通电阻。意法半导体的新参考设计 EVLONE65W 展示了将 MasterGaN2 与 ST-ONE 一体式数字电源控制器结合使用时可以节省多少空间。EVLONE65W 是一款基于有源钳位反激拓扑的 65W USB Power Delivery 3.1 充电器板。EVLONE65W 的尺寸为 5.8 cm x 3.2 cm x 2.0 cm，可实现 30 W/in3 的高功率密度。


图2：意法半导体推出业界首款集成GaN半桥产品 MasterGaN系列

对于 LLC 谐振拓扑，MasterGaN1、MasterGaN4 和 MasterGaN5 系列提供对称配置，支持高达 400 W 的额定功率。

事实上，富昌电子开发了一个名为 GaNSTar 的功能丰富的开发平台，可使用 MasterGaN1 驱动最大 500 W 的负载。GaNSTar 实现了一个 96% 效率的 LLC 谐振 DC-DC 转换器。它受益于在电路板的 STM32G4 微控制器和示例性热设计上运行的精确数字控制方案。

然后，MasterGaN 产品针对两种软开关拓扑之一进行了优化。相比之下，来自GaN 开关的其他重要供应商的集成 GaN 器件，如安森美在 2022 年底之前发布的 650 V 集成驱动器 GaN 产品，以及英飞凌的 IGI60F1414A1L CoolGaN IPS 器件，可处理硬开关并适用于任何应用拓扑。例如，安森美正在开发的评估板实施了转换器设计，包括一个 500 W 图腾柱功率因数校正转换器、一个 65 W 反激式转换器和一个 300 W LLC 转换器。

管理 EMI 与效率的折衷

然而，在另一方面，英飞凌 CoolGaN IPS 系列与市场上所有其他集成 GaN 器件不同。这些英飞凌器件使电源系统设计人员能够访问晶体管的栅极，并配置栅极驱动电阻器/电容器，以调整 dV/dt 比率，如图 3 所示。这种独特的功能使设计人员能够管理开关损耗、电磁辐射和过冲之间的平衡，这在对 EMI 高度敏感的应用中非常有价值。然而，有一个折衷：增加可选的外部电阻器会延长栅-源回路，如上所述，这会增加寄生电感。


图 3：外部电阻器控制 CoolGaN IPS 器件中的 dV/dt 比率

与安森美一样，英飞凌拥有一系列基于 CoolGaN IPS 系列的参考板设计，包括用于高密度电源适配器的 65 W 准谐振反激式转换器和 65 W 有源钳位反激式转换器。

更深入的集成以减少元器件数量和电路板占用空间

优化的驱动器与其 GaN HEMT 的集成提供了部分价值，因为它减少了开发时间和工作量。然而，正如 Power Integrations 所展示的那样，这种优势可以扩展到驱动器的集成之外。正如其名字一样，Power Integrations 专注于提供多功能产品。例如，InnoSwitch™3 和 InnoSwitch4 低功耗 AC-DC 转换器是集成了 PowiGaN™ GaN 晶体管、同步整流器控制器和 FluxLink 隔离式反馈链路的反激式控制器。这些器件最大限度地缩短了栅-源回路的长度，使设计人员能够在高达 110 W 的功率水平下实现非常紧凑和高效的设计。

Power Integrations 还提供 HiperPFS-5，这是一款带有集成 750 V PowiGaN GaN 开关的功率因数校正控制器。

评估 Power Integrations 产品的一个有效方法是使用富昌电子的 TobogGaN 电源板，如图 4 所示。这是一个基于 InnoSwitch3-Pro 集成反激式控制器模块的 60 W AC-DC转换器，其中包括一个初级侧的 PowiGaN GaN 开关。TobogGaN 系统采用通用市电输入运行，满载时效率高达 92%，提供 5 V 至 20 V 之间的可编程输出。


图 4：富昌电子的 TobogGaN 板是一款额定功率高达 60 W 的反激式转换器

Power Integrations 并没有独占这部分市场：同样值得注意的是意法半导体的 VIPerGaN 产品。VIPerGaN50 是一款与 GaN 功率开关配对的准谐振反激式控制器。它采用市电输入运行，支持高达 50 W 的负载。意法半导体还提供额定功率为 65 W 的 VIPerGaN65 和 100 W 的 VIPerGaN100。

市场对需求刺激的反应

集成 GaN 驱动器的多样性反映了制造商试图把握市场脉搏：随着对 GaN 产品的需求从低基数快速增长，目前无法确定客户是否将优先考虑寄生电感的效率和最小化，而不是自由控制 dV/dt 率。

可以肯定的是，市场将继续快速增长，GaN器件制造商正在大力投资开发和生产，以满足这一需求。令人高兴的是，客户可以期待越来越多的产品可供选择，以优化他们高效、高密度的基于 GaN 的电源系统设计。

开发套件

支持的元器件：MasterGaN1
板型号：富昌电子的GaNSTar

说明：
这款效率为 96% 的 LLC 谐振 DC-DC 转换器得益于在意法半导体STM32G4 微控制器上运行的精确数字控制方案。

支持的元器件：InnoSwitch3-Pro
板型号：富昌电子的TobogGaN

说明：
这款 60 W AC-DC转换器基于 Power Integrations InnoSwitch3-Pro 集成反激式控制器模块。TobogGaN 系统采用通用市电输入运行，满载时效率高达 92%，提供 5 V 至 20 V 之间的可编程输出。