支持瓦特到千瓦级应用的氮化镓技术

作者：德州仪器Arianna Rajabi

两年多前，德州仪器宣布推出首款600V氮化镓（GaN）功率器件。该器件不仅为工程师提供了功率密度和效率，且易于设计，带集成栅极驱动和稳健的器件保护。从那时起，我们就致力于利用这项尖端技术将功率级尽可能提高（和降低）。

氮化镓在任何功率级别都很关键。工程师正努力提高切换速度、效率和可靠性，同时减小尺寸、重量和元件数量。从历来经验来看，您必须至少对其中的部分因素进行权衡，但德州仪器正通过所有这些优势实现设计，同时通过在一个封装中进行复杂集成来节省系统级成本，并减少电路板元件数量。从将PC适配器的尺寸减半，到为并网应用创建高效、紧凑的10 kW转换，德州仪器为您的设计提供了氮化镓解决方案。LMG3410和LMG3411系列产品的额定电压为600 V，提供从低功率适配器到超过2 kW设计的各类解决方案。

通过导通电阻选择器件

内部氮化镓场效应晶体管（FET）的额定值为R_DS(on) - 漏极-源极或导通电阻——其在功率转换器的开关和传导损耗中起着重要作用。这些损失会影响系统级效率及散热和冷却方法。因此，通常来讲，R_DS(on)额定值越低，可实现的功率水平越高，同时仍保持高效率。但是更高的R_DS(on)可能更合适一些应用或拓扑，如图1所示。

图 1：采用典型电源拓扑结构的70和50mΩ氮化镓器件

过流保护

集成的过流保护不仅简化了用户的布局和设计，且在短路或其他故障情况下，高速检测实际上对于器件保护非常必要。德州仪器的氮化镓器件产品组合具有<100-ns的电流响应时间，可通过安全关断器件并允许其复位来自我防止意外击穿事件。这可保护器件和系统免受从故障管脚读出的故障条件的影响，如图2所示。

图 2：LMG3410/LMG3411系列产品的内部器件结构，包括FET、内部栅极驱动、压摆率控制和保护功能

德州仪器的默认过流保护方法被归类为“电流锁存”保护；这意味着，若在器件中检测到任何过流故障，FET将安全关断，并在故障复位前保持关断状态。在我们的70mΩ器件中，故障在36 A触发；对于50mΩ器件，故障触发器扩展到61 A.

基于不同的应用，一些工程师可能更愿意在合理的瞬态条件下运行，为此我们提供逐周期过流保护。通过逐周期保护，在发生过流故障时，FET将安全关断，且输出故障信号将在输入脉冲宽度调制器变为低电平后清零。FET可在下一个周期内重启，且在瞬态条件下运行，同时仍能防止器件过热。

表1所示为德州仪器的各类氮化镓器件的主要规格、结构和典型系统功率电平。

表1：通过关键参数选择氮化镓

毫无疑问，氮化镓在半导体竞争中处于领先地位，可用于超级电源开关。因德州仪器的氮化镓器件正在量产且针对更广泛的解决方案，我们将继续为电力行业的每位成员提供更具可扩展性和可访问性的技术。

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