GaN功率转换在激光雷达中的作用

自动驾驶汽车现在正在成为现实。通过使用许多高性能的智能传感器，可实现此类应用。数字和微控制器领域的技术进步使人们有可能为ADAS创建传感器，例如车道保持，自适应巡航以及在盲点检测等技术。ADAS既是对驾驶员有用的工具，又是对更高安全标准要求的解决方案。LiDAR是ADAS最重要的元素之一，它用于行人检测系统，盲点检测和自适应巡航控制。通常，需要检测和映射车辆周围所有元素的所有应用程序。不难理解，激光雷达的设计对于安全自动驾驶汽车至关重要。

什么是LiDAR以及如何工作

LiDAR代表激光测距，通过光波段中的电磁辐射进行的（远程）检测和测量。该设备采用了雷达经典的原理，不过它使用了激光脉冲光束。用于计算发射源与任何物体之间的距离技术称为ToF（飞行时间），如图1所示。与雷达相比，光学设备即使在长距离下也具有更高的分辨率，这些数据由ADAS处理系统解析出详细的三维图像，以用于ADAS。

图1：TOF技术（来源：www.hamamatsu.com）

LiDAR的原理已有数十年的历史，其应用涉及医疗，军事以及汽车等许多领域。但是，使用激光束会带来一些重要的技术问题：一方面，激光被证明是一种高分辨率光源，它能够充分利用这一特性，并通过扫描重建环境；另一方面，需要较高的机械精度和纳秒级的脉冲速度。此外，激光高脉冲速度和高能量会导致系统中的电子器件功率非常高，系统功率不可避免地导致以下技术挑战：

●电源组件的热管理和散热器的设计

●电路能效

●根据临界温度找到合适的模块

●优化电路板布局以最小化寄生元件

激光雷达内部：激光驱动器

LiDAR激光器由专门设计的电路驱动，能够在短时间内提供大电流。适度的驱动器由一个与激光器串联的，充当电流开关的组件组成。实现这种驱动器最常用的电路拓扑之一是电容器放电谐振电路，如图2所示。

图2：电容器放电谐振电路（来源：epc-co.com）

Q1和DL分别是要激活的激光器的开关和LED。当关闭控制时，C1电容器充电至VIN电压。当Q1接通时，C1通过DL和L1电感放电，从而形成谐振电路。因此，流过激光器的电流将是正弦脉冲IDL，直到LED两端的电压高于其正向电压VDLF为止。当DL上的电压小于VDLF时，C1再次开始充电。

这种简单电路的优点有很多：

●如果知道寄生电感值便可以利用

●传输到激光的能量与VIN直接相关

●只有一个易于控制的单端开关元件

●传输到激光器的脉冲持续时间小于开关设备的控制接通时间

但是电路方面存在冲突。传统的硅组件（例如MOSFET）无法为有效的LiDAR系统中的激光驱动器实施提供必要的功能。MOSFET必须很大才能提供更高的控制能力，这会导致寄生电容的充电时间过长，从而导致开关频率太低。此外，热管理要求需要沉重且笨重的散热器才能充分发挥作用。

符合要求的GaN

通过使用硅组件来解决上面提到的问题，对于经验丰富的工程师和设计师而言，他们可以利用功率和频率特性都更好的GaN（氮化镓）。

氮化镓的电子迁移率是硅的电子迁移率的数百倍，其能隙为3.4 eV。与硅同类产品相比，GaN MOSFET具有更低的传导损耗，更高的开关速度，更好的热性能以及更小的尺寸和成本。

所有这些功能都可以满足驱动器电路开关组件的需求。

图3：GaN器件的基本结构（来源：www.st.com）

结论

GaN在商业中的应用只是开始。几年前GaN被认为是不可能或太复杂的技术解决方案，如今在许多领域都被证明是成功的，例如在LiDAR系统的电源驱动器中。因此可以肯定的是，在未来几年中，电力电子领域将由宽禁带器件主导，这可以解决“旧”半导体器件的固有技术限制。