• GaN 整合可減少開關損耗、實現創新電路技術、元件整合及提升熱性能。
• 中電壓 GaN 整合式降壓與升壓轉換器可實現比矽替代方案小 50% 的體積，且無需犧牲效率。

追求更高功率密度的趨勢，持續影響高電流電源供應器的每個重大設計決策。數據中心和運算基礎架構的成長速度正逐漸制約傳統電源架構。從機器人到測試與量測設備，工程師正面臨相同的基本挑戰：在更少空間內提供更多功率，同時不犧牲效率。

多年來，矽基切換轉換器和離散式功率 FET 設計，擴展了中電壓、高電流應用中的可能性。但隨著切換頻率增加與體積縮小，矽 FET 的基本限制（更高的導通電阻、反向復原損耗與更多寄生電荷）也會成為設計目標的重大障礙。電力電子產業已投入超過 15 年投資、開發和驗證氮化鎵 (GaN) 技術，作為高電流電源供應設計的實證替代方案。

基本上，GaN 電源 FET 可提供比矽同類裝置更好的電氣特性，並提供深度整合。將功率 FET、閘極驅動器、控制器和被動元件整合在單一精巧封裝中，以矽方法無法匹配的方式達到最高的效率和功率密度。TI 中電壓 GaN 多晶片模組 (MCM) 積體電路 (IC) 中，LMG708B0 80V 降壓轉換器與 LMG5126 42V 升壓轉換器的元件封裝尺寸比矽解決方案小 50%，且無需犧牲效率，即可滿足高電流應用的設計需求，通常電流 ≥20A。

若要滿足高電流 DC/DC 轉換器設計的需求，必須了解可實施四項 GaN 重要進展的權衡點與技術：

1. 減少切換功率損耗
2. 採用創新電路技術
3. 支援元件整合
4. 提升封裝熱性能

我們簡單檢視 GaN 支援的每項進展。

1.減少切換功率損耗可實現更高的頻率和更小的被動元件

與矽功率裝置相比，增強模式 GaN 功率 FET 的寬能隙 (WBG) 特性和側面結構，可提供更低的汲極至源極導通電阻 R_DS(on)，以及更低的寄生電荷（閘極電荷 [Q_G]、閘極汲極電荷 [Q_GD] 和輸出電荷 [Q_OSS]）。因此，R_DS(on) × Q_G 與 R_DS(on) × Q_OSS 品質因數也會大幅增加。

GaN FET 也可消除本體二極體和相關反向回復電荷 [Q_RR]，移除頻率比例反向回復損耗，同時減少切換節點電壓振鈴及相關電磁干擾 (EMI)。預測時序 GaN 特定閘極驅動器可產生約 4ns 的失效時間，進一步將切換通訊期間的功耗降到最低。

除了較低的導通損失外，GaN 式轉換器提升的切換能力和減少的寄生也等於降低總功耗，讓您提升切換頻率、縮減磁性與電容被動元件，並減少或消除散熱。如此可縮小整體系統體積，同時兼顧效率。圖 1確認高電流 DC/DC 降壓與升壓轉換器設計的效率性能。

2.採用創新電路技術來實現可擴展性並提升輕負載效率

多相可堆疊拓撲提供將電流調整至更高的能力，並可實現切相以獲得更高輕負載效率，進而提升高電流應用的設計靈活性。為此，LMG708B0 GaN 降壓轉換器具有智慧型多相時脈同步功能，可透過相位間的菊鍊連線傳達頻率和相位資訊。產生交錯可減少輸入漣波電流與 EMI 濾波器大小。

圖 2展示在 30mm x 25mm 單面佈局上的 48V_IN 至 5V_OUT、40A、500kHz 雙相設計，與傳統矽基設計相比，將實作尺寸減半。

3.支援整合主動元件與被動元件

傳統中電壓（12V 至 80V）高電流 (> 20A) 降壓和升壓穩壓器通常需要四個或更多離散式電源元件，包括高低壓側 FET、閘極驅動器、靴帶式電路和控制器。如圖 3中所示，TI 的 MCM 整合方法使用包含四個晶片（兩個 GaN FET、一個控制器和一個引導溝槽電容器）的倒裝晶片可繞線型引線架 (FCRLF) 封裝技術，將設計整合為 4.5mm x 6mm x 0.8mm 的 22 針腳封裝。FCRLF 封裝架構可將 FET 電源端子與底層 PCB 焊盤之間的寄生電感降到最低，直接提升切換性能。

整合也縮減電力和閘極迴路切換區域，產生較低的 EMI 特性。所產生的電感寄生減少可提供更乾淨的切換波形且無振鈴，這對於 GaN 切換性能不可或缺的高電壓轉換速率電壓和電流至關重要。這些整合優勢讓您能夠針對效率與尺寸相關的性能指標，將設計最佳化。

4.提升封裝熱性能

LMG708B0 和 LMG5126 GaN 轉換器的 FCRLF 封裝技術支援具雙熱流路徑的熱增強型封裝。兩個 GaN FET 晶粒的背面暴露在封裝頂部，形成頂端和底端熱焊盤，透過安裝在裝置上方的散熱器支援選用的雙面冷卻（請參閱圖 4）。

如果不使用散熱器，大多數熱量會流經底側熱墊 (PGND) 和熔斷的導熱片（VIN 或 VOUT、SW），進入多層電路板和周圍環境。在採用散熱器配置時，熱會從 IC 傳送到電路板，同時透過暴露的頂側熱墊（SW、PGND），並朝封裝外殼的相反方向流動，傳遞至外接的散熱器，以進行頂端冷卻。

如圖 5中所示，這建立平行接點至環境熱電阻路徑，從而降低有效熱電阻，進而降低給定 IC 功耗的操作溫度，或針對定義的外殼溫度設定點提供更高的電流能力。

結論

透過減少切換損耗、採用創新電路技術、提升元件整合並提升封裝熱性能，整合式 GaN 轉換器可協助您克服矽基設計無法解決的功率密度障礙。整合式 GaN 轉換器可在 12V 至 80V 的 DC/DC 轉換環境中以更高的頻率及更高功率密度運作，體積比矽基替代方案小 50%，可提供卓越效率。

其他資源

• 使用 20A 單相和 40A 雙相配置的 LMG708B0 降壓轉換器評估模組 (EVM) 以及 LMG5126 15A 升壓轉換器 EVM 評估 GaN 性能。
• 探索 48V_IN、960W、具有整合式 GaN 參考設計的四相降壓轉換器，以及 3V 至 42V 同步 GaN 升壓轉換器參考設計。
• 下載 LMG708B0 和 LMG5126 轉換器的快速入門計算機工具。

作者簡介

Timothy Hegarty 是德州儀器切換穩壓器事業部的資深技術人員。憑藉超過 25 年的電源管理工程經驗，他撰寫了許多會議論文、文章、研討會、白皮書和應用說明。他目前重點放在具備廣泛輸入電壓範圍的高密度、低 EMI 切換穩壓器技術，適用於汽車、工業和資料中心應用。