GaN 功率器件的進(jìn)步促進(jìn)了服務(wù)器電源的改進(jìn)

出處：維庫(kù)電子市場(chǎng)網(wǎng) 發(fā)布于：2024-12-20 16:07:21 | 567 次閱讀

　　控制電路確保內(nèi)部柵極驅(qū)動(dòng)器符合 e-mode 器件規(guī)格，并允許標(biāo)準(zhǔn)外部柵極驅(qū)動(dòng)器，例如用于硅 MOSFET 或 IGBT 功率器件的驅(qū)動(dòng)器。即使在零柵極關(guān)斷偏置和快速開關(guān)轉(zhuǎn)換時(shí)，集成米勒鉗位也能提供動(dòng)態(tài)保護(hù)和強(qiáng)大的寄生導(dǎo)通抗擾度。
　　在 PCIM 2024 上，CGD 推出了更高功率的 P2 系列 ICeGaN 器件。 P2 產(chǎn)品的通態(tài)電阻 (R DS(on) ) 規(guī)格為 25 mΩ 和 55 mΩ，額定電流分別為 60 A 和 27 A。這些器件可實(shí)現(xiàn)多千瓦運(yùn)行，具有許多優(yōu)點(diǎn)，非常適合數(shù)據(jù)中心電源裝置等應(yīng)用。
　　與 SiC 在 PFC 應(yīng)用中的比較
　　功耗超過 75 W 的線路電源連接電氣設(shè)備通常需要功率因數(shù)校正 (PFC)。 PFC 是功率轉(zhuǎn)換的第一階段，對(duì)整體系統(tǒng)效率和功率密度具有重大影響。硬開關(guān)連續(xù)導(dǎo)通模式 PFC 通常用于較高功率級(jí)別 (>1 kW)。使用碳化硅肖特基二極管和超結(jié)硅 MOSFET 組合的雙升壓 PFC 在過去幾年中提高了效率。這些改進(jìn)已穩(wěn)定在 98%。與雙升壓 PFC 相比，圖 1 所示的無(wú)橋圖騰柱 (BTP) 拓?fù)鋵⒂性雌骷?shù)量從 6 個(gè)減少到 4 個(gè)，所需電感器從 2 個(gè)減少到 1 個(gè)，并且還提高了使用時(shí)的效率和功率密度。寬帶隙半導(dǎo)體。在圖1所示的BTP電路中，Q1和Q2構(gòu)成高速橋臂，而Q3和Q4構(gòu)成低速橋臂。

　　BTP 電路的主要優(yōu)點(diǎn)是使用 WBG FET 進(jìn)行高速開關(guān)。傳統(tǒng)硅 MOSFET 的體二極管具有高反向恢復(fù)電荷 (Q rr )，這會(huì)導(dǎo)致高功率損耗以及開關(guān)轉(zhuǎn)換期間擊穿損壞的風(fēng)險(xiǎn)。

　　圖 1：典型 BTP PFC 電路原理圖
　　在 BTP 高速 PFC 開關(guān)中使用 SiC MOSFET 與 GaN HEMT之間可以進(jìn)行以下比較：
　　單極增強(qiáng)型 GaN HEMT 的 Q rr為零。與類似額定值的 SiC MOSFET 相比，GaN HEMT產(chǎn)生的凈輸出電荷 (Q oss ) 要小得多。此外，SiC MOSFET 中的 Q rr /Q oss在較高溫度下急劇增加，而 GaN HEMT 則保持相對(duì)平坦。在使用 GaN HEMT 的硬開關(guān)應(yīng)用中，較低的 Q oss意味著更低的導(dǎo)通損耗。
　　對(duì)于類似的 R DS(on)額定器件，GaN HEMT 的柵極電荷和米勒柵漏極電荷要低得多。這些有助于降低開關(guān)和柵極驅(qū)動(dòng)損耗并實(shí)現(xiàn)更快的開關(guān)。更快的開關(guān)反過來又可以使用更小的磁性元件，從而提高系統(tǒng)功率密度。在某種程度上，更高的頻率還可以導(dǎo)致更低的凈無(wú)源損耗，因?yàn)殂~損的減少超過了磁芯損耗的增加。可以使用更小的 EMI 濾波器。由于 GaN 的開關(guān)損耗與頻率相對(duì)平坦，因此功率轉(zhuǎn)換效率和密度之間的權(quán)衡更為有利。由于較小的開關(guān)損耗，GaN 相對(duì)于 SiC 的相對(duì)功率損耗優(yōu)勢(shì)在較高開關(guān)頻率下得到放大，并且可以克服 GaN 在較高溫度下較高的傳導(dǎo)損耗，這可能是由于其 R DS(on)較高的正溫度系數(shù)造成的。
　　垂直 SiC MOSFET 在比電阻（ R DS(on) ×芯片面積）指標(biāo)方面確實(shí)具有優(yōu)勢(shì)，這相當(dāng)于每晶圓數(shù)量更高的芯片。然而，SiC 較高的襯底成本彌補(bǔ)了這一點(diǎn)。鑒于硅基 GaN 晶圓廠加工與大直徑硅晶圓和 CMOS 晶圓廠加工更加兼容，長(zhǎng)期趨勢(shì)預(yù)示著 GaN 具有成本優(yōu)勢(shì)?，F(xiàn)有 CMOS 晶圓廠設(shè)備的折舊可能是其中的一個(gè)關(guān)鍵因素。
　　雖然標(biāo)準(zhǔn) e 模式分立 GaN 提供有限的柵極過驅(qū)動(dòng)能力和低閾值電壓，但這需要定制柵極驅(qū)動(dòng)器和預(yù)防措施來防止寄生導(dǎo)通。 ICeGaN 通過上述集成方法解決了這個(gè)問題，該方法可實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的柵極驅(qū)動(dòng)，類似于 SiC MOSFET 所需的驅(qū)動(dòng)器。 ICeGaN 上的集成米勒鉗位可在外部瞬態(tài)和快速開關(guān)事件期間提供強(qiáng)大的抗寄生導(dǎo)通能力。
　　e-mode GaN 確實(shí)存在一些固有的局限性，例如短路耐受時(shí)間短、缺乏雪崩能力以及與 SiC 相比導(dǎo)熱系數(shù)較低。需要做出基于應(yīng)用程序的決策來確定這些因素是否至關(guān)重要。

　　CGD 對(duì)其 GaN 器件和SiC MOSFET在 BPT PFC 應(yīng)用中的使用進(jìn)行了比較研究。 2.5kW PFC 的直流輸出為 400V，開關(guān)頻率為 65kHz。在 25mΩ R DS(on)下，ICeGaN 與 SiC 器件相比，效率提高了約 0.2%。本研究中使用的兩個(gè) ICeGaN 器件采用底部冷卻 BHDFN 封裝以及頂部冷卻配置中使用的雙面冷卻 DHDFN。在滿負(fù)載時(shí)，ICeGaN 的器件損耗降低了 4W。

　　強(qiáng)大的開關(guān)性能

　　許多 SiC MOSFET 都需要負(fù)關(guān)斷柵極驅(qū)動(dòng)，特別是在高 dV/dt 開關(guān)條件下，以降低擊穿風(fēng)險(xiǎn)。例如，當(dāng)?shù)蛡?cè) FET 關(guān)閉而高側(cè) FET 剛剛開啟時(shí)，就會(huì)發(fā)生這種情況，通過低速米勒電容將其 dV DS /dt 轉(zhuǎn)換耦合到低速 FET 的柵極上，然后將就可以了。振蕩和振鈴會(huì)增加這種風(fēng)險(xiǎn)。圖 3 顯示了 SiC MOSFET、ICeGaN 和分立 e 模式 GaN HEMT 在相同柵極電阻條件下的開關(guān)波形比較。 SiC MOSFET 和分立式 GaN HEMT 中出現(xiàn)漏極電壓振鈴和過沖，而 ICeGaN 則呈現(xiàn)出干凈的波形。這一優(yōu)勢(shì)可以轉(zhuǎn)化為使用更簡(jiǎn)單的柵極驅(qū)動(dòng)器、減少開關(guān)損耗并提高可靠性。

　　圖 4 突出顯示了 ICeGaN 接口的優(yōu)點(diǎn)。這項(xiàng)研究由弗吉尼亞理工大學(xué)的一個(gè)小組進(jìn)行，使芯片的外部柵極節(jié)點(diǎn)在 3 MHz 的開關(guān)頻率下承受高振鈴。即使外部峰值柵極電壓為 45V，內(nèi)部節(jié)點(diǎn)也被鉗位至 7V 的安全工作電壓。

　　即使在高開關(guān)頻率和 ICeGaN 外部柵極節(jié)點(diǎn)振鈴的情況下，也能提供強(qiáng)大的內(nèi)部柵極保護(hù)。

　　圖 4：即使在高開關(guān)頻率和 ICeGaN 外部柵極節(jié)點(diǎn)振鈴的情況下，也能提供強(qiáng)大的內(nèi)部柵極保護(hù)（Cambridge GaN Devices）
　　熱性能改進(jìn)
　　GaN HEMT 使用戶能夠以高開關(guān)頻率和轉(zhuǎn)換速率運(yùn)行應(yīng)用。在這些條件下，板級(jí)寄生效應(yīng)的最小化可能是一個(gè)重要的要求。當(dāng)熱散熱器路徑與開關(guān)節(jié)點(diǎn)位于同一平面上時(shí)，很難通過限制快速開關(guān)漏極節(jié)點(diǎn)與地之間的電容耦合來降低共模噪聲。使用頂部冷卻可以避免電氣和熱管理之間的沖突。電通路和熱通路可以分開，從而實(shí)現(xiàn)最佳的設(shè)備性能。 P2 ICeGaN 產(chǎn)品上的新 DHDFN 封裝選項(xiàng)可實(shí)現(xiàn)頂部、底部或雙面冷卻的靈活性。

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