在当今电子技术飞速发展的时代，对于更高功率密度的追求持续影响着大电流电源的每一项关键设计决策。数据中心和计算基础设施的迅猛发展，让传统电源架构面临着巨大压力。从机器人技术到测试和测量设备等诸多领域，工程师们都面临着一个根本性挑战，即在不牺牲效率的前提下，以更小的空间提供更大的功率。
多年来，硅基开关转换器和分立式功率 FET 设计为中电压、高电流应用拓展了一定的可能性。然而，随着开关频率的不断增加和尺寸的逐渐缩小，硅 FET 的固有局限性，如更高的导通状态电阻、更大的反向恢复损耗和寄生电荷等，成为了实现设计目标的主要障碍。为此，电力电子行业历经超过 15 年的投资、开发和验证，使得氮化镓 (GaN) 技术成为高电流电源设计的成熟替代方案。
GaN 功率 FET 相比硅方案，具有更优异的电气特性，并且集成度极高。它将功率 FET、栅极驱动器、控制器和无源器件整合到单个紧凑的封装中，以硅方法难以企及的方式极大地提高了效率和功率密度。以德州仪器 (TI) 的中压 GaN 多芯片模块 (MCM) 集成电路 (IC) 为例，LMG708B0 80V 降压转换器和 LMG5126 42V 升压转换器的尺寸比硅解决方案多可小 50%，同时效率不受影响，能够很好地满足高电流应用（通常为 ≥ 20A）的设计要求。
为了满足高电流直流 / 直流转换器设计的需求，我们需要深入了解 GaN 的四大关键进展以及可能涉及的各种权衡和技术：
降低开关功率损耗可实现更高频率及更小的无源器件
与硅功率器件相比，增强模式 GaN 功率 FET 的宽带隙 (WBG) 特性和横向结构，使其具备更低的漏源导通电阻 RDS (on) 和更低的寄生电荷（包括栅极电荷 [QG]、栅漏电荷 [QGD] 和输出电荷 [QOSS]）。因此，RDS (on)× QG 和 RDS (on)× QOSS 品质因数也得到显著改善。此外，GaN FET 还能消除体二极管和相关的反向恢复电荷 [QRR]，从而消除与频率成比例的反向恢复损耗，同时减少开关节点电压振铃和相关的电磁干扰 (EMI)。预测定时特定于 GaN 的栅极驱动器可产生大约 4ns 的死区时间，进一步限度地减少开关换向期间的功率耗散。除了降低导通损耗，基于 GaN 的转换器更高的开关能力和更低的寄生效应还可以降低总功率耗散，使我们能够提高开关频率，缩减磁性和电容无源器件的尺寸，减少或消除散热需求。这在不牺牲效率的情况下，让系统总体占用空间更小。如下图所示，展示了 GaN 降压转换器效率（VOUT = 12V (a)）和 GaN 升压转换器效率（VOUT = 24V (b)）。
采用创新的电路技术来实现可扩展性并且提高轻负载效率
多相可堆叠拓扑能够将电流扩展到更高的倍数，并支持切相以提高轻负载效率，从而提升高电流应用的设计灵活性。LMG708B0 GaN 降压转换器具有智能多相时钟 SYNC，通过相位之间的菊花链连接可实现频率和相位信息通信。由此产生的交错降低了输入纹波电流及 EMI 滤波器尺寸。下图显示了一种采用 30mm x 25mm 单面布局的 48VIN 至 5VOUT、40A、500kHz 两相设计，与传统的硅基设计相比，尺寸减小了一半。
包含有源和无源元件的集成
传统的中压 (12V 至 80V) 高电流 (> 20A) 降压和升压稳压器通常需要四个或更多分立式电源元件，包括高侧和低侧 FET、栅极驱动器、自举电路和控制器。TI 的 MCM 集成方法使用倒装芯片可路由引线框 (FCRLF) 封装技术，将设计整合到 4.5mm x 6mm x 0.8mm、22 引脚封装中。该技术整合了四个裸片（两个 GaN FET、一个控制器和一个启动沟道电容器）。FCRLF 封装结构可限度地减小 FET 电源端子和底层 PCB 焊盘之间的寄生电感，从而直接提高开关性能。集成还可缩小功率和栅极环路开关区域，从而实现更低的 EMI 信号。由此产生的电感寄生效应减少可产生更干净的开关波形且没有振铃，这对于 GaN 开关性能所不可或缺的高压摆率电压和电流至关重要。总之，这些集成优势使我们能够优化设计中与效率和尺寸相关的性能指标。
封装热性能更出色
LMG708B0 及 LMG5126 GaN 转换器的 FCRLF 封装技术支持具有双热流路径的热增强型封装。两个 GaN FET 裸片的背面暴露在封装顶部，可形成顶部和底部散热焊盘，通过安装在器件上方的散热器支持可选的双面冷却。在没有散热器的情况下，大部分热量会流经底部散热焊盘 (PGND) 和熔合的热棒（VIN 或 VOUT、SW），进入多层电路板和周围环境。采用散热器配置时，热量从 IC 传递到电路板，同时通过外露的顶部散热焊盘（SW、PGND）以相反的方向流向封装外壳，并流向连接的散热器以实现顶部冷却。如下图所示，这会创建并行的结至环境热阻路径，从而降低有效热阻，在给定的 IC 功率耗散下实现较低的工作温度，或者在定义的外壳温度设定值下实现较高的电流能力。
