尺寸縮小 50%、效率不打折：集成式 GaN 轉換器的四大關鍵進展

對于更高功率密度的推動將繼續影響大電流電源的每個主要設計決策。數據中心和計算基礎設施的發展速度正在讓傳統電源架構面臨壓力。從機器人技術到測試和測量設備，工程師都面臨著同樣的根本性挑戰：在不犧牲效率的情況下，以更小的空間提供更大的功率。

多年來，硅基開關轉換器和分立式功率 FET 設計拓展了中電壓、高電流應用的可能性。但是，隨著開關頻率的增加和尺寸的縮小，硅 FET 的基本限制（導通狀態電阻更高、反向恢復損耗和寄生電荷更大）成為實現設計目標的主要障礙。電力電子行業花費了超過 15 年的時間投資，開發和驗證氮化鎵 (GaN)技術，使其成為高電流電源設計的成熟替代產品。

GaN 功率 FET 具有比其對應的硅方案大體更好的電氣特性，并且集成度高。將功率 FET、柵極驅動器、控制器和無源器件組合到單個緊湊的封裝中，以硅方法無法企及的方式更大限度地提高效率和功率密度。在 TI 的中壓 GaN 多芯片模塊 (MCM) 集成電路 (IC) 中，LMG708B0 80V 降壓轉換器和 LMG5126 42V 升壓轉換器的尺寸比硅解決方案最多小 50%，而且不會影響效率，滿足高電流應用（通常為 ≥ 20A）的設計要求。

為了滿足高電流直流/直流轉換器設計的需求，需要了解 GaN 四大關鍵進展可能實現的各種權衡和技術：

1. 降低開關功率損耗

2. 采用創新的電路技術

3. 支持元件集成

4. 封裝熱性能更出色

讓我們簡要了解一下 GaN 所帶來的每項進步。

與硅功率器件相比，增強模式 GaN 功率 FET 的寬帶隙 (WBG) 特性和橫向結構提供了更低的漏源導通電阻 R_DS(on) 和更低的寄生電荷（柵極電荷 [Q_G]、柵漏電荷 [Q_GD] 和輸出電荷 [Q_OSS]）。因此，R_DS(on) × Q_G 和 R_DS(on) × Q_OSS 品質因數也顯著改善。

GaN FET 還可消除體二極管和相關的反向恢復電荷 [Q_RR]，從而消除頻率成比例的反向恢復損耗，同時減少開關節點電壓振鈴和相關的電磁干擾 (EMI)。預測定時特定于 GaN 的柵極驅動器可產生大約 4ns 的死區時間，從而進一步更大限度地減少開關換向期間的功率耗散。

除了降低導通損耗之外，基于 GaN 的轉換器更高的開關能力和更低的寄生效應還可以降低總功率耗散，從而使您能夠提高開關頻率，縮減磁性和電容無源器件以及減少或消除散熱。這在不犧牲效率的情況下讓系統總體占用空間更小。圖 1 確認高電流直流/直流降壓和升壓轉換器設計的效率性能。

圖 1 GaN 降壓轉換器效率，V_OUT = 12V (a)；GaN 升壓轉換器效率，V_OUT = 24V (b)

多相可堆疊拓撲能夠將電流擴展到更高的倍數，并支持切相以提高輕負載效率，從而提升高電流應用的設計靈活性。為此，LMG708B0 GaN 降壓轉換器具有智能多相時鐘 SYNC，通過相位之間的菊花鏈連接可實現頻率和相位信息通信。由此產生的交錯降低了輸入紋波電流及 EMI 濾波器尺寸。

圖 2 顯示了一種采用 30mm x 25mm 單面布局的 48V_IN 至 5V_OUT、40A、500kHz 兩相設計，與傳統的硅基設計相比，實現尺寸減小了一半。

圖 2 兩相降壓轉換器簡化版原理圖 (a)，高密度布局 (b)

傳統的中壓 (12V 至 80V) 高電流 (> 20A) 降壓和升壓穩壓器通常需要四個或更多分立式電源元件，包括高側和低側 FET、柵極驅動器、自舉電路和控制器。如圖 3 所示，TI 的 MCM 集成方法使用倒裝芯片可路由引線框 (FCRLF) 封裝技術將設計整合到 4.5mm x 6mm x 0.8mm、22 引腳封裝中，該技術整合了四個裸片（兩個 GaN FET、一個控制器和一個啟動溝道電容器）。FCRLF 封裝結構可更大限度地減小 FET 電源端子和底層 PCB 焊盤之間的寄生電感，從而直接提高開關性能。

圖 3 元件集成可以提高功率密度

集成還可縮小功率和柵極環路開關區域，從而實現更低的 EMI 信號。由此產生的電感寄生效應減少可產生更干凈的開關波形且沒有振鈴，這對于 GaN 開關性能所不可或缺的高壓擺率電壓和電流至關重要。總之，這些集成優勢使您能夠優化設計中與效率和尺寸相關的性能指標。

LMG708B0 及 LMG5126 GaN 轉換器的 FCRLF 封裝技術支持具有雙熱流路徑的熱增強型封裝。兩個 GaN FET 裸片的背面暴露在封裝頂部，可形成頂部和底部散熱焊盤，通過安裝在器件上方的散熱器支持可選的雙面冷卻（請參閱圖 4）。

圖 4 耐熱增強型封裝頂視圖及底視圖

在沒有散熱器的情況下，大部分熱量會流經底部散熱焊盤 (PGND) 和熔合的熱棒（VIN 或 VOUT、SW），進入多層電路板和周圍環境。采用散熱器配置時，熱量從 IC 傳遞到電路板，同時通過外露的頂部散熱焊盤（SW、PGND）以相反的方向流向封裝外殼，并流向連接的散熱器以實現頂部冷卻。

如圖 5 所示，這會創建并行的結至環境熱阻路徑，從而降低有效熱阻，從而在給定的 IC 功率耗散下實現較低的工作溫度，或者在定義的外殼溫度設定值下實現較高的電流能力。

圖 5 較低熱阻抗的雙熱流路徑圖示

通過減少開關損耗、利用創新的電路技術、提高元件集成度并提高封裝熱性能，集成式 GaN 轉換器可幫助您克服硅基設計無法再克服的功率密度障礙。集成式 GaN 轉換器可在 12V 至 80V 直流/直流轉換空間內以更高頻率和更高功率密度工作，與硅基替代產品相比，尺寸可縮小多達 50%，從而提供出色的效率。