通过集成驱动器和高级保护功能简化GaN电源设计

高效率和高功率密度是为当今产品设计电源时的关键特性。为了实现这些目标，开发人员正在转向氮化镓 （GaN），这是一种可实现高开关频率的宽带隙半导体技术。与竞争对手的功率半导体技术相比，GaN 最大限度地减少了所需无源元件的尺寸，同时降低了栅极驱动和反向恢复损耗。

此外，半导体制造商正在将其 GaN 器件封装在高度集成的行业标准封装中，从而缩小印刷电路板 （PCB） 的占地面积要求，同时简化供应链。

GaN 应用

在 650 V AC-DC 转换领域，变压器外形无铅 （TOLL） 封装是电源设计的有效选择。采用此封装的器件可以集成 GaN 场效应晶体管 （FET） 以及栅极驱动器以及过流、过热和短路保护电路，以最大限度地提高效率和可靠性。这些器件可以在图腾柱功率因数校正 （PFC）、电感电容、相移全桥和双有源桥电路拓扑中工作。

图 1 说明了集成栅极驱动器电路的优势。图 1a 显示了一个单独的栅极驱动器和 GaN 开关。右侧的等效电路显示了栅极抑制回路中的许多寄生元件，包括驱动器输出电感 （Ldrv_out）、PCB 电感 （Lg_pcb） 和功率器件栅极电感 （Lg_gan）。图 1b 显示了左侧的集成器件，电路模型（右）显示寄生效应降低到可以忽略不计的水平。

图1. 分立驱动器和开关配置 （a） 引入了寄生效应，在集成配置 （b） 中，寄生效应减少到可以忽略不计的数量。

具有集成驱动器和保护电路的 TOLL 器件可以服务于各种应用，包括超大规模计算数据中心中使用的电源单元 （PSU），它们可以将交流电转换为直流总线。在此类应用中，提高功率密度至关重要，因为设备功率要求不断增加，而 PSU 外形尺寸保持不变。

TOLL 器件可用于 PSU 的 PFC 和 DC-DC 转换器级。德州仪器 （TI） 表示，其 GaN TOLL 器件能够在 PFC 级实现超过 99% 的效率，在 DC-DC 级实现优于 98% 的效率。

其他应用也可以使用 TOLL GaN 器件，包括大屏幕电视和电动汽车 （EV） 车载充电器。对于电视，集成的 TOLL GaN 器件使设计人员能够将电源电路（包括无源元件）安装在薄型内，同时提高功率密度。对于 EV，TOLL 器件支持车载充电电路，以实现高效率，同时安装在车辆底盘内。对于这两种情况，TOLL 器件可以同时实现 PFC 和 DC-DC 级。

另一个应用是双向光伏逆变器。它在一个方向上工作，可以将太阳能电池板的直流输出反转为交流电网电压，而在另一个方向工作时，它能够使用交流电网的电力为备用电池充电。如图 2 所示，TOLL 器件既可用于图腾柱 PFC/逆变器级，也可用于双向 DC-DC 转换器级。

图2. 这种微型逆变器设计采用 TOLL GaN 器件将太阳能电池板的输出反转为交流电或转换交流电压为备用电池充电。TOLL 设备详细信息

TI 的 LMG3650R035 650V GaN FET 就是其中一种适合此类应用的器件，其导通电阻RDS（on） 为 35mΩ，最大漏极电流为 20A。为了最大限度地减少物料清单 （BOM） 数量和 PCB 空间，该器件采用 9.8 × 11.6 mm 的 TOLL 封装，集成了栅极驱动器电路和高级保护功能（图 3）。

图3. LMG3650R035集成了栅极驱动器和保护功能。

集成栅极驱动器支持可调节的栅极驱动强度，以允许独立控制导通和关断转换速率。导通速率范围为 10 至 100 V/ns，关断速率范围为 10 V/ns 至基于负载电流幅度的最大值。独立调整有助于优化开关性能，同时最大限度地减少电磁干扰 （EMI）。

该器件通过感应连接到其驱动强度选择引脚的外部电阻-电容器网络来确定启动时的编程转换速率。启动后，该引脚承担故障监控的角色。

该栅极驱动器还集成了欠压锁定 （UVLO） 功能以及过压和过热保护功能。最重要的是，它包括逐周期的过流保护 （OCP） 功能和在 300 ns 内响应的锁存短路保护 （SCP） 功能。该器件在开关时可承受 720V 浪涌。

该器件的版本具有零电压检测 （ZVD） 功能、零电流检测 （ZCD） 功能或可为外部隔离器供电的 5V 低压差 （LDO） 稳压器输出。不同的版本将接地、5 V 输出、ZVD 信号或 ZCD 信号分配给图 3 框图左下角所示的引脚。

评估模块

为了帮助您开始基于 LMG3650R035 的设计，TI 提供了 LMG3650EVM-114 评估模块，这是一个子卡，可以作为更大的定制设计系统的一部分，也可以与 TI GaN 主板配对。可用的主板包括 LMG342X-BB-EVM，这是一款可支持高达 4 kW 的 DC-DC 降压-升压转换器，以及 PFC23338EVM-107，这是一种可支持高达 3.6 kW 的 AC-DC 图腾柱 PFC 级。

LMG3650EVM-114 卡本身包括两个采用半桥配置的 LMG3650R035 GaN IC、两个用于 GaN IC 故障信号的数字隔离器以及隔离的偏置和自举电源。该卡还集成了两个隔离式栅极驱动器，以实现与 TOLL 封装的分立 GaN 器件的布局兼容性（图 4）。

图4. LMG3650EVM-114 卡将两个 LMG3650R035 个 GaN IC 组合在一个半桥配置中，并带有外围电路。

对于基于该卡的设计测试，TI 建议使用 520V 直流电压电源、12V、1.5A 直流偏置源、可产生 0 至 5V 方波且占空比可调的函数发生器、1GHz 示波器、直流万用表以及能够在高达 650V 或 20A 下运行的直流负载。

结论

GaN 技术在从大屏幕电视到光伏可再生能源系统的各种应用中的功率转换方面表现出色。将 GaN FET 与栅极驱动器和保护电路集成在 TOLL 封装中，有助于提高可靠性和功率密度。除了 GaN 产品组合外，TI 还提供评估模块，可帮助您开始基于 TOLL 产品的设计。