【導(dǎo)讀】高速的電力轉(zhuǎn)換是目前需要亟待解決的關(guān)鍵問題，能夠有效地實(shí)現(xiàn)并推動這一目標(biāo)的關(guān)鍵點(diǎn)就是將GaN（氮化鎵）應(yīng)用到電源中。GaN（氮化鎵）曾是被應(yīng)用于LED照明的半導(dǎo)體，而今在電子電源中的優(yōu)勢也逐漸凸顯。
基于GaN的開關(guān)功率晶體管可實(shí)現(xiàn)全新電源應(yīng)用，與之前使用的硅材料 （Si） 晶體管相比，在高壓下運(yùn)轉(zhuǎn)時，性能更高，損耗更低。GaN的高頻操作特性可以在保持高效率的同時提高性能。GaN器件使用的是一種適合于現(xiàn)有硅制造流程的硅上氮化鎵（GaN-on-Si） 工藝。如果尺寸更為小巧的GaN器件能夠?qū)崿F(xiàn)同樣的電流功能，那么最終GaN晶體管就會和硅材料晶體管具有同樣性價(jià)比。這將增大GaN器件對于大型工業(yè)設(shè)備到最小型手持類設(shè)備等各類系統(tǒng)的吸引力。由于它在這些方面的優(yōu)點(diǎn)，GaN將首先在更高性能電源設(shè)計(jì)中占據(jù)一席之地。這些設(shè)計(jì)在工作頻率和精確開關(guān)特性方面要求嚴(yán)格。然而，GaN在更高效電源轉(zhuǎn)換方面的發(fā)展前景一定能夠滿足這方面的要求。
目前，電源設(shè)計(jì)人員正在重新思考他們設(shè)計(jì)的電路，試圖尋找能充分發(fā)揮全新GaN晶體管潛能又能避免負(fù)面影響的方法來創(chuàng)造電源系統(tǒng)。思考這類問題時通常的思路是在現(xiàn)有組件中尋找解決方案—GaN開關(guān)，Si開關(guān)驅(qū)動器，高速開關(guān)控制器，以及功率電感器、變壓器和電容器等均是總體設(shè)計(jì)中的部件。生產(chǎn)電源產(chǎn)品的集成電路 （IC） 制造商如果能用共同設(shè)計(jì)的器件提供系統(tǒng)級解決方案，甚至在模塊封裝中集成多個芯片，就能夠大大提高了客戶的設(shè)計(jì)可能性。
德州儀器作為行業(yè)領(lǐng)先的電源應(yīng)用IC解決方案供應(yīng)商，在提供這些類解決方案具有很大的優(yōu)勢。借助其創(chuàng)新型制造工藝、電路和封裝技術(shù)，TI不斷為那些希望最大限度發(fā)揮GaN作用的設(shè)計(jì)人員提供所需器件。
GaN在電源鏈中的位置
大多數(shù)常見的電子設(shè)備由開關(guān)模式電源 （SMPS） 供電運(yùn)行，這些電源將交流電高效地轉(zhuǎn)換為直流電（AC到DC），并且將110-120V或者220-240V的分級線電壓降壓至12V，5V，3.3V，以及系統(tǒng)組件需要的更低電壓。這些功能通常用于消費(fèi)類電子設(shè)備和數(shù)據(jù)中心，但是SMPS也被用于DC至DC轉(zhuǎn)換，并且用于生成可再生能源逆變器中的更高電壓電平，以及汽車電子設(shè)備，工業(yè)設(shè)備和其它類型的高功率系統(tǒng)。
圖1顯示的是一個普通SMPS的流程圖。一個輸入電壓，通常為高壓低頻交流電，被整流為直流電。線路濾波器用于阻斷電源中逐漸形成的高頻率，阻止其傳送回源線路。一個高頻電源開關(guān)—SMPS的核心—將DC信號轉(zhuǎn)換為一個脈沖電壓波形。開關(guān)的輸出被轉(zhuǎn)換為所需的電壓，并被過濾為低壓系統(tǒng)所要求的穩(wěn)定輸出電平?？刂破饔幂敵龇答佁峁┟}寬調(diào)制 （PWM） 信號給電源開關(guān)驅(qū)動器，從而提供穩(wěn)壓功能。信號的脈寬隨負(fù)載要求的變化而增加或減少。
圖1.開關(guān)模式電源的一般功能。
一直以來電源開關(guān)都是硅材料MOSFET（金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管）所制，但是現(xiàn)在正被GaN FET所取代。
根據(jù)系統(tǒng)要求的不同，可使用很多種不同的設(shè)計(jì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，對電源開關(guān)的安排也將有所不同，從單FET升壓轉(zhuǎn)換器，包含兩個FET的設(shè)計(jì)，最多到四個FET的全橋轉(zhuǎn)換器。此開關(guān)和其轉(zhuǎn)換器形成了一個非常靈敏的設(shè)計(jì)區(qū)域，它們必須在控制器的指令下精確執(zhí)行相關(guān)功能。如果不能做到這一點(diǎn)的話，電源系統(tǒng)就會變得不穩(wěn)定。此外，已調(diào)制電壓的快速上升和下降有可能導(dǎo)致噪音進(jìn)入反饋回路，從而造成電源系統(tǒng)不穩(wěn)定。
對于所有電網(wǎng)連接的系統(tǒng)的一個要求就是電網(wǎng)內(nèi)與系統(tǒng)外的隔離，以便為下游設(shè)備提供安全保護(hù)。另外一個注意點(diǎn)則是電源轉(zhuǎn)換的高頻運(yùn)行一定不能干擾電網(wǎng)的電力傳輸，也不能在供電線路上生成噪聲。GaN器件滿足了這一隔離要求，并且通過較高頻率運(yùn)行減少了電磁干擾。這個較高頻率可以減少隔離變壓器和輸入濾波器的大小。
GaN在SMPS系統(tǒng)中的應(yīng)用優(yōu)勢
GaN相較于硅在電源開關(guān)方面擁有的一個重要優(yōu)勢是其在高電壓下更低的損耗。它的打開和關(guān)閉所需電能也更少。在過去幾年間，Si開關(guān)的性能已大幅提高，但在相同尺寸和高壓下，GaN提供的重大改進(jìn)是Si不太可能達(dá)成的。目前，Si MOSFET對于GaN來說有相當(dāng)大的成本優(yōu)勢，但是隨著時間的推移，這一成本方面的差異將會縮小。
GaN開關(guān)器件支持寬范圍的工作電壓。它們使電源設(shè)計(jì)人員能夠在保持極大范圍輸入和輸出電壓的所需頻率的同時以較高頻率運(yùn)行，從而減小了解決方案的物理尺寸。GaN最適合的應(yīng)用往往是那些需要盡可能小尺寸的電源解決方案。
圖2顯示了GaN晶體管的基本結(jié)構(gòu)。正如之前所談到的，GaN材料位于一塊Si基板上。這種設(shè)計(jì)可以使我們在充分利用GaN的同時，也可以獲得Si處理的數(shù)十年發(fā)展所帶來的優(yōu)勢。其中一個優(yōu)勢就是較高的帶隙電壓。
圖2.增強(qiáng)型模式GaN FET的橫截面
半導(dǎo)體區(qū)別于其它材料的主要特性是帶隙能—將材料從絕緣體變?yōu)閷?dǎo)體所需的電壓跳變。GaN提供的3.2電子伏特 （eV） 的帶隙能大約是Si所能提供的帶隙能的3倍。理論上，更高的帶隙意味著較高溫度下的更佳性能，其原因是在物質(zhì)變?yōu)閷?dǎo)電前可耐受更多的熱量。今后，這一特性有可能提升汽車、工業(yè)和其它高溫環(huán)境中的GaN性能。
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SMPS設(shè)計(jì)中的GaN學(xué)習(xí)曲線
盡管GaN優(yōu)勢眾多，這項(xiàng)技術(shù)才剛剛開始在電源設(shè)計(jì)中找到用武之地。之前LED和無線應(yīng)用中的GaN讓人們看到了將這項(xiàng)技術(shù)用于電源應(yīng)用的希望。但是，要把GaN用在功率FET中曾經(jīng)需要重大的工藝和器件開發(fā)，而這些開發(fā)已經(jīng)延緩了相關(guān)產(chǎn)品的發(fā)展。此外，全新FET與之前使用的Si材料器件間的不同使得IC供應(yīng)商和系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員不得不小心前行，逐步解決設(shè)計(jì)難題。傳統(tǒng)GaN器件通常處于接通或耗盡模式，而Si MOSFET是一般情況下處于關(guān)閉狀態(tài)的增強(qiáng)模式器件。為了提供針對Si MOSFET的直接替代器件，GaN FET開關(guān)供應(yīng)商或者重新設(shè)計(jì)他們的產(chǎn)品，使其可在在增強(qiáng)模式運(yùn)行，或者使用另外的開關(guān)與其串聯(lián)，以提供正常的關(guān)閉功能。
用GaN FET替代Si MOSFET只是重新設(shè)計(jì)的開始。GaN晶體管的高頻處理能力要求開關(guān)驅(qū)動信號具備更大計(jì)時精度，而這些開關(guān)對于封裝、互連和外部源的寄生阻抗高度敏感?？筛咚匍_閉GaN開關(guān)的集成型硅基GaN驅(qū)動器已經(jīng)推動著采用GaN的SMPS設(shè)計(jì)向前發(fā)展。成熟的Si處理可實(shí)現(xiàn)這些非常精確的、高頻可調(diào)諧驅(qū)動器的開發(fā)。
例如，TI的LM5113柵極驅(qū)動器曾經(jīng)被設(shè)計(jì)用來控制處于中等電壓電平的高端和低端增強(qiáng)模式GaN電源開關(guān)。此柵極驅(qū)動器集成了優(yōu)化GaN開關(guān)性能的所需組件。這一集成不但減少了電路板空間，還有助于簡化設(shè)計(jì)。除了用最小延遲來實(shí)現(xiàn)高精度驅(qū)動計(jì)時，此器件還提供重要保護(hù)功能，以實(shí)現(xiàn)GaN開關(guān)的高效、精確運(yùn)行。例如，自舉鉗位將柵源電壓保持在安全工作范圍內(nèi)；高電流下拉提升了dv/dt抗擾度，并且避免了低端的意外激活；單獨(dú)的源/灌引腳優(yōu)化了接通和關(guān)閉次數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)高效率和低噪聲；而快速傳播延遲匹配在開關(guān)處于轉(zhuǎn)換中時優(yōu)化了死區(qū)時間。
針對啟用GaN的SMPS設(shè)計(jì)的系統(tǒng)級解決方案
通過與快速、精確電源管理控制組合在一起，GaN柵極驅(qū)動器極大地推動了啟用GaN的 SMPS設(shè)計(jì)的發(fā)展。然而，柵極驅(qū)動器本身所能優(yōu)化的程度有限。在驅(qū)動器和GaN開關(guān)之間，即使是最短的走線也會可能因?yàn)樵O(shè)計(jì)的變化產(chǎn)生延遲。
未來的IC解決方案將需要控制因布局布線和無源組件的設(shè)計(jì)所導(dǎo)致的易變性問題，因?yàn)檫@對驅(qū)動器與開關(guān)的耦合很重要。由于這兩類器件基于屬性完全不同的材料，未來將不太可能把它們集成在單個芯片（裸片）上。然而，集成了FET、驅(qū)動器以及為開關(guān)提供支持的無源器件的單封裝模塊（圖3）將會極大地減少SMPS的大小和組件數(shù)量。物理尺寸的減少也將意味著系統(tǒng)制造成本的降低，以及基于GaN設(shè)計(jì)的高效率。
圖3.集成GaN開關(guān)柵極驅(qū)動器模塊。
降低設(shè)計(jì)復(fù)雜度與縮小解決方案尺寸同樣重要。一個驅(qū)動器開關(guān)模塊將芯片間的連接線減小到盡可能短的長度，從而最大限度地縮短了延遲時間，并減少了那些使開關(guān)脈沖輸出失真的寄生阻抗。一款設(shè)計(jì)良好的模塊將大大減少多芯片設(shè)計(jì)的寄生因子，其中的某些因子會減少一個數(shù)量級，甚至更多。
提供系統(tǒng)級解決方案的另外一個重要因素是控制器-穩(wěn)壓器，這款器件必須在GaN支持的高頻率下運(yùn)行，必須實(shí)時地對輸出電壓的變化做出響應(yīng)。其時間分辨率也必須符合精確脈寬要求，以最大限度地減小死區(qū)時間內(nèi)的傳導(dǎo)損耗。幸運(yùn)的是，現(xiàn)有的數(shù)字電源控制器可以滿足這些要求，從而提供可被用于系統(tǒng)其它位置的額外性能和I/O功能。TI提供數(shù)字電源控制方面的全面專業(yè)知識，這些知識與公司的電源技術(shù)一起，提供針對GaN穩(wěn)壓和受控開關(guān)的系統(tǒng)級解決方案。
另外還需要針對基于GaN設(shè)計(jì)的磁性元件，因?yàn)槟壳按判栽匀辉诠璨牧纤鶎?shí)現(xiàn)的頻率下工作。TI與電源制造商和GaN研究機(jī)構(gòu)通力協(xié)作，不斷地敦促磁性元件供應(yīng)商提供這些組件，但是這項(xiàng)工作在很大程度上取決于市場的需求。隨著基于GaN的電源組件不斷上市，并且供應(yīng)量在不斷的增加，磁性元件供應(yīng)商將會收到客戶的大量請求，要求他們引入支持這項(xiàng)技術(shù)的組件。一旦條件成熟，業(yè)界就能夠在很多電源應(yīng)用中充分利用GaN所帶來的優(yōu)勢。
針對未來需求的GaN創(chuàng)新
全球人口數(shù)量的不斷增長和快速發(fā)展，對電力的需求持續(xù)增加，與此同時，環(huán)境問題也需要我們在提高能源使用效率方面做出更大努力。隨著我們不斷地嘗試滿足這些需求，我們的家園將從這些創(chuàng)新中受益，幫助我們更高效地傳送、轉(zhuǎn)換和使用電力資源，而這些技術(shù)也將改進(jìn)和提升我們的生活品質(zhì)。
GaN就是這樣一種創(chuàng)新，通過最大限度地降低電力轉(zhuǎn)換方面的功率損耗，它必將提高我們的能源使用效率。為了應(yīng)對GaN所帶來的挑戰(zhàn)，TI正在充分利用其在電源產(chǎn)品和技術(shù)方面的領(lǐng)先優(yōu)勢以及在研發(fā)方面的承諾，創(chuàng)建解決方案，來減少高頻電源轉(zhuǎn)換中出現(xiàn)的復(fù)雜問題。這些差別化的解決方案將有助于簡化設(shè)計(jì)、節(jié)省空間并減少組件數(shù)量，同時也最大限度地減少那些影響高效運(yùn)行的信號延遲和雜散干擾。
隨著具有這些應(yīng)用優(yōu)勢的產(chǎn)品的出現(xiàn)，SMPS開發(fā)人員將能夠加快高性能系統(tǒng)的上市時間。這些系統(tǒng)的成功應(yīng)用將推動GaN進(jìn)入高功率、工業(yè)級終端設(shè)備，以及低功率大眾市場等全新的應(yīng)用領(lǐng)域。系統(tǒng)級解決方案的模塊和其它關(guān)鍵部件將幫助我們充分發(fā)揮GaN技術(shù)在提高電源效率方面的作用。
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