如何为射频和汽车应用选择GaN FETs

已创建：September 13, 2021
已更新：July 1, 2024

所有电子设备都需要一定程度的电源转换、调节和整流，但在先进技术讨论中，高效电源的话题从未像现在这样处于前沿。电源传输和转换的考虑因素过去更多地集中在噪声和热量上，而今天，这些考虑因素现在聚焦于为先进系统量身定制的策略。每当你需要进行电源转换时，你也需要确保尽可能低的热量散发，因为这对设备的可靠性至关重要。

无线系统是一个需要非常高电源效率且在功率放大器和发射器阶段的功率散发最小化的领域。随着2019年新智能手机中的5G调制解调器在夏季天气下关闭的消息，行业面临RF系统中的热管理问题，无论是在电源管理还是RF电源传输方面。今天，汽车电源管理系统带来了类似的挑战，这需要创新的正确组件和创新解决方案来进行电源传输和调节。

GaN FETs在这两个领域都提供了解决方案，这得益于它们非常高的功率极限、高频率极限和高热导率到SiC或Si基板。GaN FETs现在变得更加普遍，许多型号可以从主要分销商那里获得。问题是，应该如何选择GaN FETs，以及在汽车与RF系统中考虑哪些重要规格？在这份指南中，我们将检查一些这些重要点，并展示一些适合每种类型系统的示例组件。

为什么使用GaN FETs？

这个问题涉及选择汽车系统和RF设备中GaN FETs的重要标准。GaN FETs是高电子迁移率晶体管（HEMTs），其优越的材料和设备属性使它们非常适合汽车电源系统和RF设备中更先进的应用。在某些方面，这两个领域在电源转换方面有所融合；这些电源系统以高开关频率、高输出电流和通常高电压运行。

GaN FETs的以下材料特性在RF和汽车电力电子中提供了重要优势：

击穿场：GaN的击穿电场比Si高（大约是Si的15倍），因此GaN设备可以在比同尺寸Si MOSFET更高的电压下运行。
电子迁移率：GaN的电子迁移率比Si高，因此GaN晶体管可以比具有相同R_ON电阻的Si晶体管物理尺寸更小。
热导率：GaN的热导率比Si高（大约是2倍），因此它可以更有效地将热量散发到其基板或散热器中。
电容：GaN FET上的输入间电容比同尺寸Si MOSFET的要小。

氮化镓场效应晶体管（GaN FET）有两种常见类型：一种是在硅（Si）上生长的，另一种是在碳化硅（SiC）上生长的。碳化硅的热导率大约是氮化镓的170%，因此在高功率应用中，通过在碳化硅上异质外延生长氮化镓形成的GaN FET更受青睐。对于开关应用，例如高功率开关调节器，较低的电容和更小的R_ON值的可能性使得电力传递非常快速，上升时间在纳秒级别。

示例：GaN FET输出电容和开关特性。在快速开关时连接到低负载可能会观察到一些轻微的振铃，这是由于寄生电感引起的。

这些特性意味着GaN FET通常可以在高频率和更高功率下同时运行，这两者都是射频和汽车应用中电力电子所需的。汽车中的主要关注点是电力调节和向机电系统（电机）的电力传递，而在射频系统中的关注点是向收发器和功率放大器的高效率电力调节和传递。在电力转换的其他应用中，可以说，相同的特性将提供好处。例如，即将到来的清洁能源系统可以借鉴射频系统，并实施用于电力转换和能源存储的充放电的相同拓扑结构。

此时，让我们更深入地探讨多相电力转换，以了解GaN FET在先进汽车和射频电力系统中的一些主要操作要求。

高频电力转换

当我们谈论电力转换中的“高频”时，我们指的是在PWM驱动器或较不常见的PFM驱动器中通常使用的开关频率。如果您熟悉开关转换器，那么您知道，当驱动组件能够更快地在状态之间切换（较低的上升时间）时，MOSFET的开关损耗可以减少。此外，能够以更高的调制频率运行的MOSFET将在输出电压/电流上产生较低的纹波。它还允许系统尺寸减小，因为达到特定纹波目标所需的电感器会更小。

只要峰值瞬态电压、瞬态电流和开关时间规格可以为给定的开关频率平衡，适当尺寸的GaN FET就可以满足这些要求。如果这三个规格无法妥协，设计可以在多相配置中运行，其中转换器以多个阶段并行操作，但通过相等的相位分隔。通过这种方式，转换器模仿了更高频率的转换器。在每个阶段内，可以使用多个并联的GaN FET来根据需要提供非常高的电流。

多相开关转换器拓扑的示例。您可以在我最近的文章中阅读更多关于此内容。

以这种多相运行方式运行需要在每个阶段的输出部分仔细选择组件。对于射频系统，这些设计应该能够运行到非常高的频率，约10 MHz或更高。这种选择以及输出滤波和控制阶段可以用来确保输出功率跟随基带信号对输出电压/电流波形施加的包络。为了防止不同阶段之间不希望的振铃或振荡，通常会使用高压二极管，就像您在并联排列的MOSFETs同时供电时所做的那样。这种设计中的控制器和驱动阶段需要仔细选择，以便它们能够充分调制GaN FETs，同时也在控制回路中运行，以补偿运行中的任何过压或掉电。

重要规格

对于这里概述的重要应用领域，有四个主要规格在设计和组件选择时应该受到关注：

峰值漏源电压（直流和瞬态）：这些值对于具有平滑开启的直流电力传输或作为具有快速开启的开关元件进行调节是必需的。注意，瞬态峰值电压将针对特定的脉冲时间指定
峰值电流（直流和瞬态）：就像峰值电压值一样，瞬态值将与输出脉冲的长度相对应的特定脉冲时间指定。
栅极电压：典型的栅极电压将在组件数据表中列出，请确保检查这些，以便可以使用适当的栅极驱动器驱动GaN FET。对于~500-600 V直流峰值GaN FETs，典型的栅极电压可以在10到20 V范围内，具有高电流处理能力。
动态开关时间：这些规格包括开启延迟、上升时间和体二极管的反向恢复时间。对于GaN FETs，由于这些系统的负载电容较低，这些值大约在10-100 ns的范围内。
输入/输出电容：设备输入和输出端口上的寄生电容也很重要，因为它们将决定与感性负载的相互作用，可能在负载电阻较低的情况下导致欠阻尼振铃。通常，在开关节点上添加一个小电阻足以临界阻尼任何过渡。

在驱动感性负载时，注意任何功率MOSFET（包括GaN FET）中的输入和输出电容。特别是，不要认为你可以通过反馈回路和控制算法来调节开关节点的振铃。除非你在快速的MCU或FPGA中实现了控制，否则你的门驱动IC很可能无法补偿这种振铃，这种做法成本过高。相反，你可以以更高的频率运行这些设备，并使用更小的电感，这仍然会帮助你达到你的纹波目标。

示例 GaN FET 和门驱动器

Nexperia, GAN063-650WSAQ

Nexperia的GAN063-650WSAQ是一个优秀的通用GaN FET示例。该元件在高达20V的门电压下切换，具有57ns的快速开启时间（10ns的输出上升时间）。在仅10V的门电压下，该FET提供34.5A的直流电流，峰值瞬态电流为150A，快速脉冲小于10微秒。室温下的导通状态电阻仅为50毫欧，而在175°C时仅上升至120毫欧。该元件的峰值直流漏源电压可达650V。下面显示了输出漏电流特性。

GAN063-650WSAQ GaN FET的漏电流。[来源：GAN063-650WSAQ数据手册]

Infineon, 2EDN7524FXTMA1

Infineon的2EDN7524FXTMA1是一个可以与GaN FETs一起使用的门驱动IC。该元件提供5ns的快速斜率和17ns的传播延迟，用于快速GaN切换，使其在RF系统的开关调节器中非常有用。该元件是一个双通道驱动器，可以与数字控制器ASIC接口。输出电压高达20V，典型上升时间为5.3ns（最大10ns，1.8nF负载电容，12V漏电压）。