在分立GaN HEMT器件的广泛可用性之外,领先的GaN制造商还提出了集成GaN解决方案,这些集成解决方案在GaN的固有优势的基础上,有可能提供更好的性能。

在广阔的功率电子领域,如今都已经意识到了氮化镓的好处。不过,相关媒体、贸易展和会议上的各种活动,主要侧重的探讨都还是从硅MOSFET转向GaN解决方案后可以提高效率和功率。分析师则侧重增长预期,虽然各不相同,但几乎所有人都预计,从现在到2027年的复合年增长率至少为24%,有些人的估计还要高得多,尤其是在工业、消费者、电信和汽车等不同的关键细分市场。关于这些,读者的确已经知道了很多。然而除了上述这些之外,如今读者还应看到,在分立GaN HEMT器件的广泛可用性之外,领先的GaN制造商还提出了集成GaN解决方案,这些集成解决方案在GaN的固有优势的基础上,有可能提供更好的性能。

首先,值得一提的是,集成解决方案不是万灵药。根据电路设计的划分方式,高效GaN开关可能优选使用分立器件,如果需要特定的驱动器时尤其如此。如果控制器中已经包含驱动器,或者用于高于1kW的高功率场合,一些集成解决方案就相形见绌了。对于此类应用以及其他需要最大设计灵活性的应用,青睐的还是一系列导通电阻不同、范围从30~700V不等的分立器件。

但在许多其他情况下,集成解决方案(例如,驱动器+GaN HEMT,半桥+驱动器)可以缩小设计体积,提供高功率,并减少元器件数量(更小的BOM)。比如Innoscience的ISG3201,是该公司SolidGaN系列中的一款100V产品,把两个100V 2.3mΩ增强型GaN器件与一个100V半桥栅极驱动器集成在一起。该器件采用30引脚LGA封装,尺寸仅为5×6.5×1.12mm,适用于电机驱动、人工智能、服务器、电信和超级计算机等应用中的高频降压转换器、半桥或全桥转换器、D类音频放大器、LLC转换器和功率模块。图1所示为该器件的简化示意图。

图1:SolidGaN系列器件的简化示意图。

将利用高规格半导体MOSFET、分立GaN器件与集成ISG3201实现的三种半桥电路进行了比较,结果表明,正如所预期那样,相对于MOSFET,分立GaN解决方案的面积小了66%,而集成SolidGaN在此基础上进一步减小了19%,即比MOSFET小73%。上图还解释了ISG3201如何最大限度地减少对外部元器件的需求。封装中集成了驱动电阻器、自举电路和VCC电容器,从而减少了七颗元器件(四只电阻器和三只电容器)。另一个好处是,因为所有这些功能都是集成的,所以栅极环路电感和功率环路电感都减少了,通常少了40%。寄生效应的减少导致振铃更少,从而减少了过冲。这不仅提高了效率,简化了设计,而且由于过冲被减小到最低4V(比一些竞争对手低80%),还提高了可靠性。此外,需要的钳位元器件更少。

该设计还简化了功率级的器件布局。在某些器件结构中,开关节点位于VIN和PGND之间,这虽然简化了器件构造,但却需要额外的外部元器件。图2中的Innoscience设计,显示开关节点位于边缘,因此VIN和PGND之间只需要一颗简单的去耦电容器,而开关节点连接到外部电路。该设计可以节省许多元器件,具体取决于所选择的功率级拓扑结构。

图2:Innoscience设计开关节点位于边缘。

对于降压和LLC电路设计,采用集成解决方案则相对简单,而采用分立GaN设计将需要更多元器件,分别如图3和图4所示。对于三相无刷直流(图5左)和全桥太阳能逆变器(图5右)所需电路也都比较简单,如图5所示。

图3:分立与集成降压电路比较示意图。

图4:分立与集成LLC电路设计比较示意图。

图5:三相无刷电机驱动(左)和全桥太阳能逆变器(右)电路设计示意图。

集成设计还有制造方面的好处。在窄间距晶圆级芯片封装中,安装分立器件很难控制,也限制了PCB上可用的铜量。尽管GaN通常效率高,从而比硅半导体的工作温度更低,但在高功率时,则需要更多的铜来改善热性能,而且是必不可少的。通过采用具有较大引脚间距的集成封装,所用铜量为2盎司,而实际上,采用细间距分立方案时所用的铜只能达到1盎司。因此,减少了功耗并提高了效率,扩展了GaN技术的实际有用功率范围。测试表明,由于PCB铜的增加,使用集成部件(如ISG3201)的半桥设计效率,比使用分立GaN器件时高0.3%。

如果考虑以1MHz工作的48/12V DC/DC转换器模块,会发现这些效率的提高所产生的显著影响。如图6显示,通过使用示例ISG3201集成半桥而非分立解决方案实施设计,可以实现0.7%的整体效率提高。热图证明,对于相同的温升,使用集成方法时,效率的提高意味着可以获得18%的额外功率。

图6:集成方案与分立方案的热图比较。

电机驱动器应用

图7示例为500W电机驱动器 (1000W峰值功率),可用于电动汽车应用。在该设计中,三个紧凑的SolidGaN ISG3201半桥集成电路可以取代六个TO-220封装的90V/4mΩ硅MOSFET和三个半桥驱动器集成电路,再加上少数外部元器件,从而节省了近90%的空间(可提供参考设计和评估板)。

图7:500W电机驱动器示意图。

利用GaN,总谐波失真至少降低了一个数量级,从而可以减少转矩波动,减少过流和绕组损耗。电机运行更平稳,噪音更小,这对可靠性和电机寿命也会产生积极影响。

图8:利用GaN可使总谐波失真大幅降低。

正如本文所述的,集成解决方案提供了许多好处,包括尺寸和效率。不过,就分立解决方案而言,除了可提供设计灵活性之外,在超高功率场合,目前可能还是唯一选择——除非以后能利用集成器件的并联来实现(路线图中)。最终,无论是分立还是集成解决方案,GaN都是最好的选择。

(原文刊登于EE Times姊妹网站Power Electronics News,参考链接:Comparing Discrete and Integrated GaN Solutions,由Franklin Zhao编译。)

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