GaN应用广泛

在650VAC-DC转换领域，变压器外形无铅（TOLL）封装是电源设计的有效选择。采用此封装的器件可以集成GaN场效应晶体管（FET）、栅极驱动器以及过流、过热和短路保护电路，从而最大限度地提高效率和可靠性。这些器件适用于图腾柱功率因数校正（PFC）、电感电容、相移全桥和双有源桥等电路拓扑。

图1清晰地展示了集成栅极驱动器电路的优势。图1a显示了一个单独的栅极驱动器和GaN开关，右侧的等效电路显示了栅极抑制回路中的许多寄生元件，包括驱动器输出电感（Ldrv_out）、PCB电感（Lg_pcb）和功率器件栅极电感（Lg_gan）。而图1b显示的左侧集成器件，其电路模型（右）显示寄生效应降低到了可以忽略不计的水平。

图1.分立驱动器和开关配置（a）引入了寄生效应，在集成配置（b）中，寄生效应减少到可以忽略不计的数量。

具有集成驱动器和保护电路的TOLL器件可服务于多种应用。在超大规模计算数据中心中使用的电源单元（PSU），需要将交流电转换为直流总线。在这类应用中，提高功率密度至关重要，因为设备功率要求不断增加，而PSU外形尺寸保持不变。TOLL器件可用于PSU的PFC和DC-DC转换器级。德州仪器（TI）表示，其GaNTOLL器件能够在PFC级实现超过99%的效率，在DC-DC级实现优于98%的效率。

除了数据中心PSU，大屏幕电视和电动汽车（EV）车载充电器等应用也可以使用TOLLGaN器件。对于电视，集成的TOLLGaN器件使设计人员能够将电源电路（包括无源元件）安装在薄型机壳内，同时提高功率密度。对于EV，TOLL器件支持车载充电电路，以实现高效率，同时安装在车辆底盘内。对于这两种情况，TOLL器件可以同时实现PFC和DC-DC级。

双向光伏逆变器也是TOLLGaN器件的一个重要应用领域。它在一个方向上工作时，可以将太阳能电池板的直流输出反转为交流电网电压；在另一个方向工作时，它能够使用交流电网的电力为备用电池充电。如图2所示，TOLL器件既可用于图腾柱PFC/逆变器级，也可用于双向DC-DC转换器级。

图2.这种微型逆变器设计采用TOLLGaN器件将太阳能电池板的输出反转为交流电或转换交流电压为备用电池充电。

TOLL器件详细信息

TI的LMG3650R035650VGaNFET是一款非常适合上述应用的器件。其导通电阻RDS（on）为35mΩ，最大漏极电流为20A。为了最大限度地减少物料清单（BOM）数量和PCB空间，该器件采用9.8×11.6mm的TOLL封装，集成了栅极驱动器电路和高级保护功能（图3）。

图3.LMG3650R035集成了栅极驱动器和保护功能。

集成栅极驱动器支持可调节的栅极驱动强度，以允许独立控制导通和关断转换速率。导通速率范围为10至100V/ns，关断速率范围为10V/ns至基于负载电流幅度的最大值。独立调整有助于优化开关性能，同时最大限度地减少电磁干扰（EMI）。该器件通过感应连接到其驱动强度选择引脚的外部电阻-电容器网络来确定启动时的编程转换速率。启动后，该引脚承担故障监控的角色。

该栅极驱动器还集成了欠压锁定（UVLO）功能以及过压和过热保护功能。最重要的是，它包括逐周期的过流保护（OCP）功能和在300ns内响应的锁存短路保护（SCP）功能。该器件在开关时可承受720V浪涌。该器件的不同版本具有零电压检测（ZVD）功能、零电流检测（ZCD）功能或可为外部隔离器供电的5V低压差（LDO）稳压器输出。不同的版本将接地、5V输出、ZVD信号或ZCD信号分配给图3框图左下角所示的引脚。

评估模块助力设计

为了帮助工程师开始基于LMG3650R035的设计，TI提供了LMG3650EVM-114评估模块。这是一个子卡，可以作为更大的定制设计系统的一部分，也可以与TIGaN主板配对。可用的主板包括LMG342X-BB-EVM，这是一款可支持高达4kW的DC-DC降压-升压转换器，以及PFC23338EVM-107，这是一种可支持高达3.6kW的AC-DC图腾柱PFC级。

LMG3650EVM-114卡本身包括两个采用半桥配置的LMG3650R035GaNIC、两个用于GaNIC故障信号的数字隔离器以及隔离的偏置和自举电源。该卡还集成了两个隔离式栅极驱动器，以实现与TOLL封装的分立GaN器件的布局兼容性（图4）。

图4.LMG3650EVM-114卡将两个LMG3650R035个GaNIC组合在一个半桥配置中，并带有外围电路。

对于基于该卡的设计测试，TI建议使用520V直流电压电源、12V、1.5A直流偏置源、可产生0至5V方波且占空比可调的函数发生器、1GHz示波器、直流万用表以及能够在高达650V或20A下运行的直流负载。

结论

GaN技术在从大屏幕电视到光伏可再生能源系统的各种应用中的功率转换方面表现出色。将GaNFET与栅极驱动器和保护电路集成在TOLL封装中，有助于提高可靠性和功率密度。除了丰富的GaN产品组合外，TI还提供评估模块，可帮助工程师轻松开始基于TOLL产品的设计，进一步推动了GaN电源设计的发展和应用。