分立和集成GaN解决方案的比较

在广阔的功率电子领域，如今都已经意识到了氮化镓的好处。不过，相关媒体、贸易展和会议上的各种活动，主要侧重的探讨都还是从硅MOSFET转向GaN解决方案后可以提高效率和功率。分析师则侧重增长预期，虽然各不相同，但几乎所有人都预计，从现在到2027年的复合年增长率至少为24%，有些人的估计还要高得多，尤其是在工业、消费者、电信和汽车等不同的关键细分市场。关于这些，读者的确已经知道了很多。然而除了上述这些之外，如今读者还应看到，在分立GaN HEMT器件的广泛可用性之外，领先的GaN制造商还提出了集成GaN解决方案，这些集成解决方案在GaN的固有优势的基础上，有可能提供更好的性能。

首先，值得一提的是，集成解决方案不是万灵药。根据电路设计的划分方式，高效GaN开关可能优选使用分立器件，如果需要特定的驱动器时尤其如此。如果控制器中已经包含驱动器，或者用于高于1kW的高功率场合，一些集成解决方案就相形见绌了。对于此类应用以及其他需要最大设计灵活性的应用，青睐的还是一系列导通电阻不同、范围从30～700V不等的分立器件。

但在许多其他情况下，集成解决方案(例如，驱动器+GaN HEMT，半桥+驱动器)可以缩小设计体积，提供高功率，并减少元器件数量(更小的BOM)。比如Innoscience的ISG3201，是该公司SolidGaN系列中的一款100V产品，把两个100V 2.3mΩ增强型GaN器件与一个100V半桥栅极驱动器集成在一起。该器件采用30引脚LGA封装，尺寸仅为5×6.5×1.12mm，适用于电机驱动、人工智能、服务器、电信和超级计算机等应用中的高频降压转换器、半桥或全桥转换器、D类音频放大器、LLC转换器和功率模块。图1所示为该器件的简化示意图。

图1：SolidGaN系列器件的简化示意图。

将利用高规格半导体MOSFET、分立GaN器件与集成ISG3201实现的三种半桥电路进行了比较，结果表明，正如所预期那样，相对于MOSFET，分立GaN解决方案的面积小了66%，而集成SolidGaN在此基础上进一步减小了19%，即比MOSFET小73%。上图还解释了ISG3201如何最大限度地减少对外部元器件的需求。封装中集成了驱动电阻器、自举电路和VCC电容器，从而减少了七颗元器件(四只电阻器和三只电容器)。另一个好处是，因为所有这些功能都是集成的，所以栅极环路电感和功率环路电感都减少了，通常少了40%。寄生效应的减少导致振铃更少，从而减少了过冲。这不仅提高了效率，简化了设计，而且由于过冲被减小到最低4V(比一些竞争对手低80%)，还提高了可靠性。此外，需要的钳位元器件更少。

该设计还简化了功率级的器件布局。在某些器件结构中，开关节点位于V_IN和P_GND之间，这虽然简化了器件构造，但却需要额外的外部元器件。图2中的Innoscience设计，显示开关节点位于边缘，因此V_IN和P_GND之间只需要一颗简单的去耦电容器，而开关节点连接到外部电路。该设计可以节省许多元器件，具体取决于所选择的功率级拓扑结构。

图2：Innoscience设计开关节点位于边缘。

对于降压和LLC电路设计，采用集成解决方案则相对简单，而采用分立GaN设计将需要更多元器件，分别如图3和图4所示。对于三相无刷直流(图5左)和全桥太阳能逆变器(图5右)所需电路也都比较简单，如图5所示。

图3：分立与集成降压电路比较示意图。

图4：分立与集成LLC电路设计比较示意图。

图5：三相无刷电机驱动(左)和全桥太阳能逆变器(右)电路设计示意图。

集成设计还有制造方面的好处。在窄间距晶圆级芯片封装中，安装分立器件很难控制，也限制了PCB上可用的铜量。尽管GaN通常效率高，从而比硅半导体的工作温度更低，但在高功率时，则需要更多的铜来改善热性能，而且是必不可少的。通过采用具有较大引脚间距的集成封装，所用铜量为2盎司，而实际上，采用细间距分立方案时所用的铜只能达到1盎司。因此，减少了功耗并提高了效率，扩展了GaN技术的实际有用功率范围。测试表明，由于PCB铜的增加，使用集成部件(如ISG3201)的半桥设计效率，比使用分立GaN器件时高0.3%。

如果考虑以1MHz工作的48/12V DC/DC转换器模块，会发现这些效率的提高所产生的显著影响。如图6显示，通过使用示例ISG3201集成半桥而非分立解决方案实施设计，可以实现0.7%的整体效率提高。热图证明，对于相同的温升，使用集成方法时，效率的提高意味着可以获得18%的额外功率。

图6：集成方案与分立方案的热图比较。

电机驱动器应用

图7示例为500W电机驱动器 (1000W峰值功率)，可用于电动汽车应用。在该设计中，三个紧凑的SolidGaN ISG3201半桥集成电路可以取代六个TO-220封装的90V/4mΩ硅MOSFET和三个半桥驱动器集成电路，再加上少数外部元器件，从而节省了近90%的空间(可提供参考设计和评估板)。

图7：500W电机驱动器示意图。

利用GaN，总谐波失真至少降低了一个数量级，从而可以减少转矩波动，减少过流和绕组损耗。电机运行更平稳，噪音更小，这对可靠性和电机寿命也会产生积极影响。

图8：利用GaN可使总谐波失真大幅降低。

正如本文所述的，集成解决方案提供了许多好处，包括尺寸和效率。不过，就分立解决方案而言，除了可提供设计灵活性之外，在超高功率场合，目前可能还是唯一选择——除非以后能利用集成器件的并联来实现(路线图中)。最终，无论是分立还是集成解决方案，GaN都是最好的选择。

（原文刊登于EE Times姊妹网站Power Electronics News，参考链接：Comparing Discrete and Integrated GaN Solutions，由Franklin Zhao编译。）

本文为《电子工程专辑》2024年4月刊杂志文章，版权所有，禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里。