氮化镓 DC-DC 变换器面临的挑战

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随着氮化镓（GaN）市场应用的快速增长和GaN半导体器件技术的不断进步，开关电源变换器发展的趋势是高性能（高效率、具有快速动态响应）、高可靠性、超低EMI、小型化、高集成度和高​​功率密度。跟传统的Si器件相比， GaN 器件寄生的栅极和输出电容小得多，沟道电导率高，可以实现高转换效率，从而减小方案尺寸和降低散热成本。然而，在其广泛应用于数据中心、电动汽车之前，基于 GaN 的 DC-DC 变换器在可靠性、效率、EMI 和高频开关方面仍存在一系列挑战。下面将针对这四种类型的挑战进行简单讨论：
可靠性挑战
在汽车应用中，基于 GaN 的 DC-DC 变换器存在迫切需要解决的可靠性问题，元芯半导体在这方面积累了大量的核心技术。图 1 显示了一个典型的 DC-DC 变换器，它采用 GaN 功率开关实现高效和高频工作，以提高动态响应，并减小系统体积和降低发热和成本。然而，在将其用于汽车之前，需要解决一些问题，下面列举其中两个最基本的问题。

 

图 1 汽车应用中典型的基于 GaN 的 DC-DC 转换器

 

首先，在图 1 所示的降压转换中，由于 GaN 晶体管 ML 中没有体二极管，在下管续流反向导通时会产生接近3V的反向压降。这使得开关节点电压VSW在下降沿和上升沿间隔期间（死区时间）降低到-3V的电压值，这远远低于硅器件的-0.7V（体二极管钳位）。例如，在 VSW 下降沿期间，下管ML 反向导通以续流电感电流，从而 VSW 变为 -3V。当栅极驱动器电源电压 VDRV 恒定的情况下，考虑到-3V的VSW电压影响，自举电容器 CBST 会发生破坏性过充电。当使用 5V VDRV，VSW 降至 -3V，使得自举电容过充至8V，从而超过了氮化镓开关栅极 VGS 最大额定值（6V），导致氮化镓开关器件发生栅极击穿。

其次，固定死区时间控制常用于防止 GaN 功率开关中出现灾难性的直通电流。然而，由于 VSW 的下降沿斜率与负载电流成反比，传统的固定死区控制存在一些问题。 在下管ML进入续流状态前，CSW 存储的电荷通过电感电流快速放电使得 VSW 下降。在固定死区时间tdead 情况下，VSW 可能在 tdead 结束之前过早下降到 0V，从而下管 ML 进入反向传导产生极高的反向传导损耗。相反，在小电感电流情况下，CSW 的电荷以较低速率放电，导致VSW下降斜率缓慢，在tdead结束前，VSW并未下降到0V，从而产生过多的开关损耗。因此，固定死区时间控制容易导致较高的反向传导损耗或开关损耗。在高达MHz的开关频率下，固定死区时间控制导致的功率损耗会变得非常高。

功率效率和热挑战
随着功率等级的不断提高，氮化镓DC-DC 变换器面临越来越严重的散热问题。图 2 显示了典型的基于 GaN 的 DC-DC 变换器的热分布图，该变换器将 48V 的电压转换为 12V，采用了300KHz 开关频率的降压拓扑。然而，由于高达 360W 的系统功率和较高功率损耗比例，GaN FET 的峰值温度接近 100 ℃。此外，GaN晶体管的小型化和晶圆级封装（WLCSP）使散热更具挑战性，因此需要更高效的功率转换器来降低系统功率损耗。

 

 

图 2. 典型的基于 GaN 的 DC-DC 变换器的热分布图

 

DC-DC变换器的功率损耗主要包括三类：导通损耗、开关损耗和栅极驱动损耗。为了降低 GaN 功率开关中的导通损耗，需要最大化栅极驱动电压以有效降低导通电阻。通常，驱动电压 VDRV 可以通过线性稳压器从高压总线降压产生，或者通过受控开关直接从低压输出侧产生。然而，第一种方法中由于VDRV 是从高电压电压通过线性调压产生，而第二种方法中当输出电压很低时，会导致 GaN 功率开关的导通电阻急剧增加，这两种情况都会降低系统效率。由于 GaN 器件中的栅极面积比Si器件小得多，因此每个开关周期中的栅极电荷损耗和开关损耗也低得多。不过随着开关频率被推高，开关损耗在三类损耗中开始占主导地位，尤其是在轻负载条件下。

EMI 挑战
电磁干扰 (EMI) 噪声是GaN进入汽车应用之前必须要解决的主要挑战。首先，GaN DC-DC 变换器中的固定栅极驱动会产生极高 di/dt 和 dv/dt ，以及固定的开关频率，这产生了系统的EMI 问题。在图 3所示的基于 GaN 的 DC-DC 转换器中，固定栅极驱动会导致上管MH导通电流和开关节点电压 (VSW)的高速率变换，会在系统中产生不必要的噪音并引发故障，产生汽车安全性问题。通常做法是在输入总线处采用体积较大的输入滤波器来降低总线上的 EMI 噪声，但它会显着增加系统体积和成本。

图 3基于 GaN 的固定频率 DC-DC 转换器的 EMI 挑战

 

另一方面，在固定 开关频率 控制的情况下，当 开关频率 在 GaN 功率转换器中上升到几十兆赫兹时，如图 3所示的基频 (开关频率) 及其谐波频率处的杂散开关噪声不再能被无源EMI 滤波器有效处理。交错并联技术和跳频技术有利于减少杂散谐波。然而，涉及多个电感器和复杂的时钟控制。由于跳频中的离散和可预测频率，在汽车标准的 EMI 噪声限制下，杂散噪声无法完全抑制。因此，对于高 开关频率 汽车用 GaN DC-DC 转换器迫切需要有效的 EMI 抑制技术。

高频开关挑战

图 4基于 GaN 的 DC-DC 转换器中的高频开关挑战

 

为了在高达几十兆赫兹的高开关频率下工作，传统的 GaN 栅极驱动器会出现一些问题。图4描述了由于芯片、封装或者PCB板级的寄生，导致GND信号的噪声和跳变。同时氮化镓的开关节点VSW的dv/dt通常可以达到100V/ns以上。在传统的 GaN 栅极驱动器中，传统的电平转换器由于其共模抑制能力弱，或者驱动传输延迟不对称，这会造成驱动信号的错误导致系统的安全性问题。元芯半导体所提供的氮化镓系统解决方案可以解决氮化镓驱动和控制的问题，结合核心专利技术，实现氮化镓系统的高性能，高稳定性和高可靠性。（元芯半导体版权，请勿非法转载）